解密搅拌、剪切、砂磨和均质设备

分散相粒径大小，是影响悬浮液流变特性和稳定性的关键因素，较小颗粒的分散体系，抗絮凝、抗分层的稳定性高，所以有必要分析探讨分散过程中颗粒的变形和破裂的基本机理。要使分散相颗粒破裂，必须对颗粒表面提供足够的外来能量，在此能量作用下颗粒发生变形，当变形力超过使颗粒维持原状的界面张力或强度极限时，颗粒就会破裂。比如定转子分散机的均质过程就是通过定转子的高速旋转，给物料流体以足够的高剪切力，使物料在强剪切力的作用下发生形变，当剪切力大到一定程度时使悬浮液中的小颗粒发生破裂，以达到均质的效果。

但若固体颗粒的强度极限较高，完全靠液力的剪切力作用，则很难破碎，此时需要分散（均质）设备从各个方面加强物料的受力，提高均质效果。比如可以使物料在自由湍流状态下达到充分混合，进而可以使料液在层流、湍流状态下受更高剪切作用；可以使物料内产生高频压力波，加强液力剪切作用与压力波作用；使物料在流动过程中受到强烈液力及机械冲击、碰撞；产生空穴力效应，“爆破”颗粒。

所述空穴力（Cavitation Force），是由分散均质中流体的瞬间气化引发的：根据理想流体的伯努利方程，流体所具有的压力和动能之和为常数，所以瞬间的高速流会造成压降，当压力降低到工作流体的饱和蒸气压时，流体就开始沸腾而迅速气化，从而流体内产生大量的气泡，当压力再一次升高后，气泡会因受压而突然破灭，又重新凝结。由于流体内气泡的瞬时大量产生和破灭形成了空穴现象，空穴现象类似无数的微型炸弹，能量强烈释放产生强烈的高频振动，从而会在流体中产生很强的冲击波和射流作用，如发生在粒子附近，就会造成粒子的分散和破裂，并使生物大分子发生剪切，达到使分散相均质的目的。产生空穴效应的关键就在于能产生足够的压降。

图7-46示意了分散均质设备中分散物料受到的几种基本分散力：主要存在剪切力，拉伸力，湍流力，空穴力和冲击力。不同的分散均质设备其主要分散力不同。比如高压均质机是以空穴效应为主的。而对于多层定转子结构的高速剪切分散机而言，以剪切力为主，但由于转子的高速旋转所产生的离心力作用，使得料液经过转子的作用后压力升高，然后料液经过定子时会产生压降，再次经过转子时又产生压力升高，从而使得物料在通过多层定转子槽道时分散相颗粒会受到一定的空穴效应而被分散和破裂。

图7-46　分散物料在均质设备中受到的分散力

1.搅拌和剪切

锚式、螺旋桨式、蝶式、涡轮式和齿列式转子（图7-47）旋转搅拌时，带动液体发生某种方式的循环流动，从而使物料混合均匀。搅拌体系中分散釜液体直径D、高度H、转子高度h、转子位置a、转子形式和直径均影响混合效果（图7-48）。搅拌釜内流体的运动是复杂的单相流或多相流，目前都还没有完整的描述方法。搅拌釜内流体流动参数的测量，搅拌功率的预计，以及搅拌装置的放大方法等，都是搅拌理论研究和工程应用中的重要课题。

图7-47　部分分散搅拌转子结构形式

图7-48　搅拌转子与搅拌效果

影响搅拌的主要参数如下。

转子圆周线速度（m/s）：Vu=π×d×（n/60）

剪切速率（1/s）：Vs=Vu/ds

d=转子直径（m）

n=转子转速（rpm）

ds=定转子间距（m）

锚式、螺旋桨式转子旋转线速度一般较低，混合和循环能力强但剪切能力弱，适合于固液悬浮体系，当固体悬浮物沉降速度快时，可以加装底挡板和壁挡板提高循环能力。锚式搅拌转子直径大，一般设计成贴壁旋转（0.9＜d/D＜0.98），速度低但循环能力强，特别适合于涂布液静置锅搅拌，体系不易在搅拌中产生气泡而影响后期涂布。

蝶式、涡轮式转子转速较快，蝶式搅拌垂直叶片的剪切作用比斜叶和后弯叶的大，特别适合气液分散体系，其圆盘的下面可以保存一些气体，使气体的分散更平稳。涡轮转子有一定的剪切力和循环能力，适合固体溶解过程。

齿列式搅拌盘的边缘上交替冲压出锯齿，每个齿与盘的切线方向呈一定角度，当分散盘高速转动时，每个齿的立缘面可产生强冲击作用，齿外缘面推动水向外流动，形成循环与剪切。齿列式设计的旋转速度高，通常设计转速为500～3000r/min（实验机型最高可至8000rpm），圆周线速度15～25m/s。在低黏度液体场合，叶径与罐径之比（d/D）为0.25～0.35，随黏度的增加，叶径需要增大，但d/D不宜超过0.5。齿列式搅拌盘高速旋转时带动液体旋转并形成涡旋，在叶片附近区域形成较高的速度梯度区，输入能量中约75%作用在叶片近旁，以剪切的形式传递给物料。能量投入的密度较高，而这些能量大部分变成热量使分散液温度上升，若分散液对温度敏感，须用夹套进行冷却处理。齿列式分散时应保证有涡流形成，可通过调整转速、分散盘与容器底部距离h控制涡流程度，达到最佳分散状态。齿列式分散应用面广，可对多种不同性质的物料进行分散，并且容易清洗，特别适合对剪切有要求但要求不高的分散场合，如喷墨介质生产中二氧化钛、微米级二氧化硅、氧化铝、高岭土等材料的分散。由于锯齿的剪切作用，当分散体系中含有高聚物时，聚合物的链段容易被剪切力打断，影响聚合物的性能，因此齿列式不适合用于后期加胶黏剂的混合工艺。

齿列式搅拌的速度梯度区为叶片邻近区域，ds较大，降低了剪切速率。为提高剪切力，需要减少定转子间距ds，定转子分散头（Rotor/Stator Homogenizer）为一组或几组高速旋转的开槽转子和固定开槽定子组成（图7-49）。剪切时，在电动机的驱动下，高速旋转的转子产生离心力，将物料从分散头的上下区域顺着轴向吸入工作腔（图7-50a），强劲的离心力将物料从径向甩入定转子之间狭窄精密的间隙中，同时受到离心挤压、撞击等作用力，使物料初步分散乳化（图7-50b）。定转子间隙设计得极为狭窄，仅为0.25～1mm，在定转子之间的狭窄间隙中，高速旋转的转子外端产生23～40m/s的线速度，贴近定子内侧壁的液体流速接近零，形成强烈的速度梯度区，使得物料发生强烈的机械及液力剪切、液层摩擦、撞击撕裂，并通过定子开槽射出（图7-50c）。物料不断高速地从径向射出，在物料本身和容器壁的阻力下改变流向，与此同时在转子区产生的上、下轴向抽吸力的作用下，在分散釜内形成强烈的翻动湍流区。物料快速进行循环，最终完成分散、乳化、均质过程（图7-50d）。与传统的搅拌不同，定转子剪切叶轮小，叶轮直径与混合罐直径比d/D值为1/10～1/75，定转子剪切以小叶轮、高速度、高剪切速率的概念进行设计，大幅提高了分散输入能量密度，可将物料分散至亚微米级。在喷墨介质的生产中，凝胶法或沉淀法二氧化硅、氧化铝、钛白等材料均可以采用此类分散方式，也可用于气相法二氧化硅的预分散。

图7-49　定转子分散头

图7-50　分散、乳化、均质过程

美国和欧洲等国家在定转子高剪的研究和开发方面，都取得了显著进展。比如美国ROSS公司研制的高剪切混合乳化机；德国IKA-MASCHINENBAU公司研制的DR系列分散机；德国YSTRAL公司生产的X40型分散搅拌机；德国FLUKO公司研制的管线式高剪切分散乳化机、管式分散乳化机；瑞士KINEMATICA公司生产的POLYTORAN盘式分散混合机等，相应地，国外也出现了该类分散均质机的专利。

IKA DR系列机器转子线速度为23m/s，根据一些行业特殊要求，IKA®在DR系列基础上又开发了DRS超高速分散机系列，转子最高线速度可达40m/s，剪切力更强，乳液粒径分布更窄。DR/DRS的主要部件是不锈钢分散盘，在盘的边缘上交替冲压出锯齿，每个齿与盘的切线方向呈一定角度，当分散盘高速转动时，每个齿的立缘面可产生强冲击作用，齿外缘面推动水向外流动，形成循环与剪切（图7-51）。

这种高剪切均质机结构的主要特征是泵体式多层定转子结构类型，转子（如图7-51a）采用斜槽结构。斜槽是沿着基圆的切线方向开设，具有泵的功能，所以在加工过程中可以保证黏度较大的料液能够有足够的输送能力，并由于斜槽的增压功能，可使料液受到空穴效应。定子（如图7-51b）槽道是沿着径向开设，可方便加工。这种泵体式高剪切均质机具有泵吸作用，可置于生产流水线上连续生产，从而有效解决传统定转子固定于釜中只能适合间歇分散的限制。料液通过入口流入均质泵内，在电机的高速驱动下，料液在多层转子与定子之间的狭窄间隙内高速运动，使物料在工作腔内承受每分钟几十万次的高速剪切，形成了强烈的液力剪切和湍流，使料液在同时产生离心、挤压、研磨、碰撞、粉碎等综合作用力的协调下得到充分分散、均质、乳化、破碎、细化、混合等工艺要求，然后由出口流出。

图7-51　均质机及其转子外形

2.砂磨

剪切分散主要靠层流间的速度梯度形成剪切力使得颗粒分散。而砂磨通过搅拌轴和盘片（或是棒销、凸盘片）驱动研磨介质发生高速运动、碰撞和摩擦，除剪切力外，研磨介质之间还将产生很强的冲击力。剪切力和冲击力为分散过程提供了更高的输入能量（图7-52）。

砂磨机（Agitator Beads Mill）由球磨机（Ball Mill）、搅拌磨（Attritor）发展而来。砂磨机发展大概经历了以下几个阶段（如图7-53）。

第一阶段：球磨机→立式搅拌磨（底部筛网分离器+棒式研磨原件）；

第二阶段：立式圆盘砂磨机（盘式+顶部筛网分离器）；

第三阶段：立式销棒砂磨机（棒式+顶部缝隙分离器）；

第四阶段：卧式圆盘砂磨机（盘式+动态转子离心分离器）；

第五阶段：卧式销棒循环砂磨机（棒式+超大过滤面积分离器）。

图7-52　砂磨分散过程作用力

图7-53　砂磨机发展阶段图示(www.xing528.com)

砂磨介质采用球状的玻璃微珠、不锈钢珠、硅酸锆珠、氧化铝、碳化硅、碳化硼、氧化锆珠、钇稳定氧化锆等。砂磨介质的密度越大，同等大小研磨珠的运动动能1/2mV2就越大，研磨效率越高。研磨介质的尺寸是影响最终研磨分散粒径的重要参数，减少研磨珠直径，其一能有效增加碰撞点，0.05mm直径的研磨介质碰撞点能比0.5mm的研磨介质多出1000倍；其二能有效增加剪切面积，从而提高剪切力和挤压力。经验表明，分散物料研磨后的最终直径约为研磨珠直径的1/1000。图7-54是采用硅酸锆珠研磨碳酸钙的一组实验结果。喷墨墨水、印染墨水行业已经在用200～300μm的砂磨珠砂磨酞化青颜料和碳黑颜料。

图7-54　硅酸锆珠研磨碳酸钙实验结果

当然，研磨介质的尺寸受砂磨设备的限制，过小的研磨介质会造成砂磨机出口分离器的堵塞。因此砂磨机分离器的结构及缝隙宽度决定研磨介质尺寸大小，一般情况下研磨介质直径需要超过分离器缝隙宽度的2倍。

从结构上，砂磨机可按下列部件分为不同型号（表7-23）。

表7-23　砂磨机分类表

* 卧盘式砂磨机研磨腔内介质分布均匀，研磨效率较高，带载启动容易，操作方便，可以设计成大型或超大型。但能量密度（单位容积装机功率）较低，所以研磨细度受到一定限制。
* 立盘式砂磨机介质分布不均，研磨效率较低，带载启动困难。优点是无机械密封，结构简单。
* 卧棒式砂磨机能量密度大，研磨筒短，介质分离器过滤面积大，物料停留时间短，散热效果好，研磨效率高，产品粒度分布窄。一般用于难研磨物料的大流量循环研磨工艺。
* 立棒式砂磨机不仅搅拌轴上布置有销棒，往往在筒体内壁也布置有销棒。能量密度大，研磨强度高。主要用于高粘度物料，如胶印油墨，UV 油墨的生产。
* 陶瓷类和聚氨酯类筒体和磨盘材质可以有效避免研磨过程中的金属污染，但陶瓷类造价升高，聚氨酯类不耐物料中部分溶剂易溶胀。

砂磨机的发展趋势，一是使用越来越小的砂磨珠，以满足超细化分散的需求，这就要求介质分离器的设计不断更新。分离器最初是用静态的分离网或分离格栅，出口容易堵塞，只能用中等直径的砂磨珠；发展到动态的旋转分离筛网和分离环，可使用最小粒径为0.2mm的砂磨珠；瑞士布勒公司（Buhler AG）专利技术的Superf low型砂磨机，更合理地利用离心原理将砂磨珠与分离筛网隔开，从而使砂磨珠的应用粒径进一步减小。二是研磨缸的体积减小，而搅拌电机功率增大，从而增加研磨能量密度。

能量密度Pv的定义如式（7-14）所示。

布勒SuperFlow研磨机能量密度正常情况下Pv为2～4Kw/L，比传统砂磨机约1 Kw/L的能量密度高2～4倍。

Superf low砂磨机转子设计成在顶部封闭的双夹套式中空圆柱体，转子外表安装了大量搅拌用销棒（图7-55）。在转子的上部中心区域，开有较大尺寸和分布于四周的提供研磨介质由内到外循环用的开口槽。定子由外层定子筒和内层定子筒组成，外层定子筒上安装了大量的定子销棒，内层定子筒上的销棒呈螺旋排列。在内层定子上部有一个大比表面积并连接在中央卸料管上的圆柱形分离筛网。当砂磨机停止时，分离筛网将位于研磨介质装满时的水平面之上，减少启动、停机时对分离筛网的堵塞。当研磨时，物料通过给料泵从顶部进入研磨腔并在外层转子上部随着转子旋转而均匀散布，在转子离心区域与定子形成的圆柱状间隙内，产品得到预处理。在接下来的强烈研磨带中，通过转子和定子销棒的相互作用对研磨介质产生连续的强烈撞击，研磨介质再作用于分散物料。在定子底部区域，产品和研磨介质的混合物折返进入内研磨腔，并由底部向顶部流动。在内层研磨腔的上部，研磨介质通过导流板被加速到最大的圆周速度，由于密度不同，研磨介质通过离心力分离并通过转子上的开口槽返到圆柱形的涡流引导间隙，并随着新的产品流入研磨机，这样被分离的研磨介质又一次传送到转子/定子的外层研磨带。如此，研磨介质通过内外研磨腔的一个封闭的内部再循环就形成了。对于物料，由于给料泵的压力，产品沿与离心力相反的方向流动，再通过在中间设置的圆柱形保护筛和接下来的卸料管出料。与研磨介质通过离心力分离的产品以一定流速通过外层和接下来的环状内层研磨腔，使得产品在研磨机里停留的时间特别短，从而得到一个极窄的粒径分布。转子和内外层定子都被设计成带冷却装置，在产品以一定流速流经研磨机的过程中，物料经过许多冷却带，避免研磨过程中温度升高过多。

图7-55　顶部封闭的双夹套式中空圆柱体砂磨机转子

耐驰LME型圆盘卧式砂磨机分离器采用专利的“转子—缝隙筒”技术（图7-56）。该设备搅拌轴8的末端是带有销棒11的空心转子1，转子上开有通道2，通道的侧平面21朝向与搅拌轴的中轴相切。缝隙筒3由延伸范围为360°或720°的一个或几个螺旋31排列而成，螺旋由若干棒状或三角型材311构成。缝隙筒和空心转子之间形成一狭窄的柱状空腔10。在砂磨机运行过程中，空心转子和主轴一起旋转，产生离心力，流入螺旋导程内的物料通过出料管4达到研磨物料出口41，而研磨珠在侵入螺纹导程之前便通过转子通道2重新进入研磨腔9中。这种设计，使得空心转子内几乎无砂磨珠，分离器磨损很小，而过流面积大，过滤效果好，工作寿命长。

图7-56　转子—缝隙筒结构

在砂磨过程中，影响产品砂磨性能的主要因素如下。

①砂磨机的流量：流量设定过大时，物料在研磨腔中停留时间缩短，研磨效果下降。当然循环研磨流量并不真正影响停留时间，但流量超过分离器分离能力时，砂磨珠容易在分离器聚集，造成磨损加重。另外，砂磨达到一定粒径后，延长停留时间只是在增加热量，并不能进一步提升砂磨效果，过长的停留时间反而会产生过磨返粗的现象。

②物料黏度：研磨腔内的物料黏度比进料时的物料黏度往往高出很多。黏度越高，对砂磨珠的拖曳力越大，容易将研磨珠带入分离器，造成磨损加重。

③搅拌轴线速度：线速度越快，研磨效率和研磨效果越好，研磨珠所处的离心力越大，也能增加动态分离器的分离效果。但研磨腔和销棒的磨损加重。最近发现有效研磨的区域集中在高剪切区，而低剪切区域的研磨效果差，只是在损耗能量和产生热量，因此砂磨机的设计也向更高的线速度发展。但搅拌轴线速度受限于电机功率、轴承密封技术和机械制造精度。

④研磨介质粒径和密度：如前所述，介质粒径越小，砂磨最终粒径也越小。但如果研磨介质和物料直径相差太大，也无法将物料分散。一般而言，加入物料的大小以研磨介质的1/3～1/10最为适当。

⑤介质填充率：卧式砂磨机的装填率一般为80%～85%；立盘式砂磨机的装填率一般为75%～80%；立棒式砂磨机的装填率一般为85%～95%。装填的质量=砂磨机有效容积×装填率（75%～95%）×介质堆积密度。研磨介质装填率过高，容易引起砂磨机温升过高或者出口堵塞。研磨介质装填率过低，研磨效率低，磨损加剧，研磨时间延长。

此外，对于亚微米级的分散物料，要特别注意筒体、磨盘和研磨珠材质在研磨过程中磨损造成的污染。物料分散越细，表面积和表面能越高，就越容易吸附磨损污染，严重时反而造成团聚变粗。

例如，采用超硬合金研磨材质——钇稳定氧化锆研磨珠体系对pH=4.2的气相法二氧化硅分散液进行砂磨，随砂磨时间的延长，发现分散液的颜色由半透明蓝白色变成灰白色，黏度轻微上升，触变明显上升。采用X射线荧光光谱仪对分散液中固体成分中Si和Fe、Cr、Y、Zr金属元素进行含量分析，发现随着分散时间的延长，Si含量逐渐降低，Fe含量上升，Cr含量轻微上升，证实研磨腔筒体和磨盘存在一定程度磨损（图7-57）。另外，Y、Zr含量上升很明显。砂磨40min后Zr含量可达到6.94%。Y/Zr对比值基本稳在0.06%～0.07%，有一定的一致性，考虑到研磨珠的材质，推断该污染是砂磨珠不断磨损进入分散液所致。

图7-57　气相二氧化硅钇稳定氧化锆研磨效果

3.高压均质

1900年，德国人加林（Gaulin）设计了最早的均质机，最先用于牛奶的加工。1909年，美国Gaulin开始批量生产均质机，1918年，丹麦Rannie公司发展它的第一部均质机。20世纪七八十年代，Gaulin与Rannie先后被APV收购，其均质机作为液体加工机械的典范仍是遍布世界各地。

高压均质机以意大利GEA Niro生产的具有三柱塞二级均质阀的高压均质机为主流结构。柱塞泵先通过大功率电机驱动，再由曲轴和连杆带动柱塞泵进行往复运动。柱塞前端的工作腔上下各有单向阀一个，上端为出料阀，下端为进料阀。当柱塞移动时泵腔内低压，出料阀关闭，进料阀打开，物料吸入；当柱塞反方向移动时泵腔内高压，进料阀关闭，出料阀打开，物料排出。

高压均质机的核心在均质阀，简单来说，均质机等于高压泵加上均质阀。前面所说的动力源和出料阀，相当于给物料形成高压。如图7-58所示，力F1和F2使阀芯和阀座紧紧地贴合，当物料形成高压后，先通过右边的一级均质阀，推动阀芯，使得阀芯和阀座之间产生缝隙，并产生压力P1和P2与F1和F2平衡。一般地，总压力在60MPa（600bar）以下，二级压力（P2）为总压力（P1）的20%；总压力在150MPa（1500bar）以下，二级压力（P2）为总压力（P1）的10%。物料在通过一级均质阀后，压力从P1骤降至P2。根据伯努利定律，巨大的压力差转变为动能，巨大的动能把物料流速提高到300～500米/秒，此时压力迅速下降至饱和蒸汽压力下，物料中形成气泡，出现空穴现象。这些空穴类似无数的微型炸弹，产生强烈的冲击、失压、膨胀作用，颗粒得以破碎。同时，在巨大动能的作用下，物料颗粒通过阀件的微小间隙产生很高的速度梯度，形成剪切力，物料并以300～500米/秒（100MPa可达500～1000米/秒）的速度，撞击于冲击环、阀座界面，把物料颗粒破碎到极细微粒。

图7-58　高压均质机均质阀

图7-59为Microfuidics M-110EH型高压射流对撞均质机实物和均质原理图，在气压驱动柱塞泵的作用下，预均质物料加压到50～275Mpa，分成两股流体，从射流喷嘴中高速喷出，两股射流精确对准，在碰撞区发生相撞，发生强烈的剪切力、空穴力和撞击力，撞击将液体高速动能转化成破碎能和热能，从而不直接冲撞腔体壁，减少了设备磨损情况。喷嘴由高硬度耐磨材料组成，如氧化铝（蓝宝石或红宝石）、氮化硅和金刚石等，直径在50～500μm，即便如此，在喷墨分散液的应用过程中，仍然观察到氧化铝、二氧化硅颗粒对射流喷嘴的磨损现象，造成对撞不准和压力不稳。为减少对均质液的污染，喷嘴材料与预均质液相同的或均质条件下发生化学反应后的结果与之相同。例如，均质氧化铝时使用氧化铝作为喷嘴；均质氨稳定的二氧化硅时使用氮化硅，在均质过程中氮化硅可能腐蚀转化成二氧化硅和氨。

图7-59　高压射流对撞均质机实物和原理

Sugino Machine Ltd的Ultimaizer系统采用三射流室（Three-jet Chamber），高压下将预均质液分成三股，以非常高的速度在碰撞点相遇。碰撞点由蓝宝石球（三个底部的球每个直径8mm，顶部的球10mm）围成四面体，三股液体在同一个假想面上，相对于相邻射流的角度为120°，进入四面体内碰撞，将动能转变成破碎能和热能。

目前实验室试验用均质机压力能够达到400MPa，工业生产型的均质机能达到150MPa，并且已经广泛使用。一般认为均质压力小于10MPa的为低压均质，均质压力范围在20～40MPa的为高压均质，压力范围在40MPa以上的均质为超高压均质，最高压力达400MPa左右的均质机，可以使物料粒径减少到100nm以内。均质压力越高，设备磨损越大，磨损不仅来源于物料，也来自空穴的气蚀效应。

耐驰收购瑞士AC Serendip技术推出的OMEGA中低压均质机，采用了独特的均质结构和模块化单元，在同等均质效果下可大幅降低均质压力，并降低均质过程中的热量。不同于传统的阀座阀芯单元，OMEGA在高压喷嘴后方加入湍流模块，高流速和湍流力是OMEGA均质设备高效率工作的关键性因素。喷嘴采用超硬宝石材质，对喷嘴磨损小，物料加压到10～70MPa后以200～300m/s速度从喷孔喷出进入湍流模块，在此空间中产生剧烈的剪切力、湍流力和空穴力，物料发生一定程度的自研磨，压力释放掉2/3，剩余1/3在撞击模块和阀座释放。从而最大程度地降低撞击模块和阀座磨损。此外，各模块都可独立拆卸和更换，减少易损件的损耗（图7-60）。

图7-60　中压均质机