CN101045215A - 有机颜料研磨分散装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有机颜料研磨分散装置，包括一内腔保持一定温度且以一定频率做轴向振动的研磨筒，一端插入所述研磨筒的转轴，依次固接在研磨筒内转轴上的数个叶片组，每一叶片组具有数个沿所述转轴周向均布的研磨叶片，研磨叶片的表面设置有通孔。有机颜料受到研磨叶片搅动、冲击和剪切，又受到研磨介质剪切和冲击，同时还受到研磨筒的振动冲击，研磨叶片上的通孔改善了其振动特性，并避免有机颜料在研磨叶片上附着，有机颜料在上述各种力的同时作用下得以细化，使有机颜料的粒度落在10～100nm的窄范围内，且粒度分布稳定性高，完全满足液晶显示器彩色滤光片颜料光阻所需，制得的颜料光阻流动性好、着色力强。

Description

有机颜料研磨分散装置

技术领域

本发明涉及一种研磨装置，特别是一种生产液晶显示器彩色滤光片颜料光阻调制用有机颜料研磨分散装置。

背景技术

通常，初始合成后的有机颜料粒径粗大，一般分布在10～200μm较宽的粒度分布范围内，由于颜料颗粒粒径的大小直接影响其着色强度、透明度、耐热、耐光以及耐溶剂等性能，因此初始合成后的颜料不能直接用来调制颜料光阻用于液晶显示器彩色滤光片的涂布。同时，当研磨粗品颜料时，如果颜料的分散不充分，则对将来调制的彩色滤光片用颜料光阻的质量稳定性、粘度、光泽度、透明度等性能造成不良影响。因此，有机颜料研磨分散装置作为研磨、分散过程中使用的装置对有机颜料粒度分布和分散效果具有非常重要的影响。

目前对有机颜料的分散细化处理已有多种分散研磨设备，如球磨机、砂磨机、三辊机、捏合机或超声波粉碎设备等，由于彩色滤光片用有机颜料的成品要求粒度小，且分布集中，上述现有设备的分散质量、效率均不能满足生产要求。

球磨机和砂磨机已在油墨、油漆领域应用多年，尤其适用于分散低粘度物料(如溶剂型油墨)。球磨机是借助于研磨介质的滚动产生撞击和强剪切力使颜料粒子分散，具有成本低、操作方便等优点，但其对于纳米级的有机颜料分散处理不够理想，效率低且设备清理困难。

三辊机也是油墨工业中常用的分散设备，比较适用于粘稠物料的分散处理。其工作原理是将膏状物以薄膜形式从一个辊子转移到另一个辊子，相邻的两个辊子由于相对转速不同，对颜料粒子施加压力、剪切力，从而导致聚集体破碎。该设备对于要求粒度较大的成品颜料比较适用，但达不到彩色滤光片颜料光阻用颜料的粒度和粒度分布要求。

对于粘度更高的颜料，比较有效的分散设备是捏合机，颜料混合物在捏合机内混合过程中受到两个叶片之间以及捏合臂与机体壁之间的剪切力作用而粉碎。但该设备要求物料的粘度高，否则不能达到正常的分散效果，但过高粘度的物料不能保证颜料在短时间内达到粒度分布范围要求，而如果一定要得到粒度分布在10～100nm范围的颜料时，生产周期长，能源消耗量巨大。

此外，现有技术的垂直式分散设备为物料筒垂直放置，在对具有较高粘度的有机颜料的混合物进行分散处理时，由于重力的作用，致使分散效率低，并易产生所谓的堵塞现象。

发明内容

本发明的目的是针对现有分散设备的不足，提供一种针对彩色滤光片颜料光阻用有机颜料的研磨分散装置，既能获得粒度分布在10～100nm范围的成品，又具有研磨分散效率高、能耗小、结构简单等特点，处理后的有机颜料可以直接用于彩色滤光片用颜料光阻的调制。

为了实现上述目的，本发明提供了一种有机颜料研磨分散装置，包括：

一研磨筒，为内腔保持一定温度的封闭筒体，以一定频率做轴向振动；一转轴，一端插入所述研磨筒，以一定转速旋转；

数个叶片组，依次固接在研磨筒内的转轴上，每一叶片组具有数个沿所述转轴周向均布的研磨叶片，所述研磨叶片的表面设置有通孔。

所述研磨筒的筒壁为由内壁和外壁构成的夹层结构，内壁和外壁的夹层内充有对研磨筒内有机颜料进行冷却的冷却水，所述外壁上设置有入水口和出水口。所述研磨筒通过弹性机构和振动板与振动机构连接，并设置在一限制研磨筒振动方向和振动幅度的支撑机构内。所述研磨叶片的外径为所述研磨筒内径的65％～80％，研磨叶片的宽度为所述研磨筒长度的4.5％～9％，所述叶片组的间距为所述研磨筒长度的10％～20％。

在上述技术方案中，所述研磨叶片上通孔形状为矩形、椭圆形、三角形或圆形，通孔面积为研磨叶片面积的20％～40％。

所述研磨叶片可以为一端固接在转轴上的凹形板，凹形板的截面形状为“〈”形、“(”形、“〔”形或其他类同形状，所述“〈”形的折角、“(”形两端切线的夹角、“〔”形两端斜边延长线的夹角为150°～176°；所述研磨叶片也可以为一端固接在转轴上的平板，具有向着其转动方向弯曲的叶片前缘，且向着其转动方向扭转10～25度，所述同一叶片组中相邻研磨叶片的扭转方向相反。

在上述技术方案中，所述研磨筒的振动频率大于2500次/分钟，振动振幅为所述研磨筒长度的0.5％～2.5％，所述转轴的转速大于4000转/分钟。

本发明提出了一种有机颜料研磨分散装置，采用了研磨叶片高速旋转、研磨筒高频振动的组合技术方案。研磨叶片一方面冲击研磨筒内的有机颜料和研磨介质，另一方面对有机颜料进行剪切，并驱动研磨介质对有机颜料进行冲击和剪切；同时研磨筒还以一定频率做轴向振动，进一步对有机颜料进行充分研磨和分散。研磨叶片上设置的矩形、三角形、椭圆形或圆形通孔可以一方面降低能耗，另一方面可以改善研磨叶片的振动特性，避免有机颜料在研磨叶片上的附着。有机颜料受到研磨叶片的搅动、剪切和冲击，又受到研磨介质的剪切和冲击，同时还受到研磨筒的振动冲击，在上述各种力的同时作用下得以细化，有机颜料粒子落在10～100nm的窄范围内，且粒度分布稳定性高，完全满足液晶显示器彩色滤光片颜料光阻所需，制得的颜料光阻流动性好、着色力强。

针对液晶显示器彩色滤光片颜料光阻所需的有机颜料粒度分布范围和稳定性要求，本发明在优选技术方案中设置研磨叶片上通孔面积为研磨叶片表面积的20％-40％，使通孔附近形成湍流区，使湍流区内的有机颜料受到自转和公转作用，加速有机颜料的冲击和剪切，进一步提高分散效率。在进一步优选技术方案中，研磨叶片的外径为研磨筒内径的65％～80％，研磨叶片的宽度为研磨筒长度的4.5％～9％，叶片组的间距为研磨筒长度的10％～20％。

本发明的研磨叶片可以是截面形状为“〈”形、“(”形、“〔”形或其他类同形状的凹形叶片，凹形叶片的凹面朝向研磨叶片的转动方向，使有机颜料在叶片后部形成稳定的流态；研磨叶片也可以是具有向着其转动方向弯曲的叶片前缘的平板叶片，且相邻研磨叶片的扭转方向相反，使有机颜料在不同扭转方向的扭转叶片的驱动下加速撞击。此外，本发明既可以是垂直式结构，也可以是水平式结构，均能达到高效的研磨分散要求，且结构简单、运行可靠、效率高、能耗低。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明有机颜料研磨分散装置的结构示意图；

图2a～图2c为本发明凹形研磨叶片的结构示意图；

图3a～图3c为本发明凹形研磨叶片截面形状示意图；

图4a～图4c为本发明板形研磨叶片的结构示意图；

图5为本发明测试结果图；

图6为本发明测试结果图。

附图标记说明：

1-研磨筒；        2-转轴；          3-叶片组；

4-入水口；        5-出水口；        6-进料口；

7-出料口；        8-出料控制阀；    9-振动机构；

10-弹性机构；     11-支撑机构；     12-振动板；

31-研磨叶片；     311-通孔；        312-叶片前缘。

具体实施方式

图1为本发明有机颜料研磨分散装置的结构示意图，主体结构包括研磨筒1、转轴2和叶片组3，研磨筒1为带有冷却结构使其内腔保持一定温度并沿轴向方向做高频振动的封闭筒体，转轴2的一端插入研磨筒1内腔中，并依次固接多个叶片组3。每一叶片组3具有多个沿转轴2周向均布的研磨叶片31，每一研磨叶片31的表面上设置有通孔311。在上述结构中，叶片组3之间的间距可以相同，也可以不同，每一叶片组3的研磨叶片31数量根据物料性能确定，可以为6～24个。

本发明采用冷却水的方式对有机颜料分散过程中的温度进行控制。如图1所示，研磨筒1的筒壁为由内壁和外壁构成的夹层结构，夹层结构内充入冷却水，冷却水通过入水口4、研磨筒1筒壁夹层和出水口5形成冷却循环，将研磨筒1内有机颜料的温度控制在20～30℃范围内，用以防止由于温度升高导致有机颜料的物化特性发生变化，增加其在研磨过程中及成品的稳定性。当然，研磨筒1的冷却还可以采用本领域技术人员惯用的其他方式实现。

如图1所示，本发明研磨筒1的轴向振动通过弹性机构10和振动板12由振动机构9提供，同时研磨筒1和振动板12沿支撑机构11限定的方向和位置上下振动。具体地，支撑机构11是一截面形状为L形的限位结构，侧面与研磨筒1筒壁和振动板12侧面接触，限制研磨筒1和振动板12的振动方向，底部与振动板12端面接触，限制振动板12的上、下位置。当振动机构9设置在研磨筒1下部时，下部振动板12的底端与振动机构9连接，上端面连接弹性机构10，弹性机构10与研磨筒1的下端部连接，振动机构9驱动下部振动板12上下移动，使弹性机构10压缩变形，进而带动研磨筒1上下振动。为保证研磨筒1的振动幅度，研磨筒1的上部也可以设置支撑机构11，研磨筒1的上端部与弹性机构10的一端连接，弹性机构10另一端连接上部振动板12，研磨筒1的振动使弹性机构10压缩变形，进而带动上部振动板12上下振动，由支撑机构11端部限制上、下部振动板12的上、下位置；研磨筒1的上、下端部与上、下部振动板12之间设有间隙，提供振动余量。

显然，支撑机构11也可以采用本领域技术人员惯用的其他方式实现，本发明的振动机构9也可以设置在研磨筒1上部，可以是电机、偏心轮结构，也可以直接采用振动电机，振动频率可根据不同分散阶段连续调节；弹性机构10可以是弹簧、弹性块或弹性片。本发明研磨筒1还包括进料口6、出料口7和出料控制阀8，研磨筒1内腔在工作时保持密闭，出料控制阀8用于出料时对研磨筒1内腔加压，将研磨分散后的有机颜料排出。

本发明有机颜料研磨分散装置在对有机颜料进行研磨分散时，由动力源驱动的转轴2高速转动，进而带动研磨叶片31在研磨筒1内高速旋转，研磨叶片31一方面搅拌、冲击研磨筒内的有机颜料和研磨介质，另一方面对有机颜料进行剪切，并驱动研磨介质对有机颜料进行冲击和剪切。研磨叶片31上设置的通孔311可以一方面降低运行的能量消耗，另一方面可以改善其在转动过程中的振动特性，同时还可以避免有机颜料在研磨叶片31上的附着，利用研磨叶片31产生的轴向振动增加对有机颜料的冲击力，提高研磨效率。研磨筒1还以一定频率沿A向振动，进一步对有机颜料进行充分研磨和分散。有机颜料受到研磨叶片31的搅动、剪切和冲击，又受到研磨介质的剪切和冲击，同时还受到研磨筒1的振动冲击，在上述各种力的同时作用下得以细化，使有机颜料的粒度基本落在10～100nm的窄范围内，且粒度分布稳定性高，完全满足液晶显示器彩色滤光片颜料光阻所需，制得的颜料光阻流动性好、着色力强。

针对液晶显示器彩色滤光片颜料光阻所需有机颜料的粒度及分布范围要求，本发明设置叶片组3的间距为研磨筒长度的10％～20％，即研磨筒1内可以设置5～10组叶片组3，研磨叶片31的宽度为研磨筒长度的4.5％～9％，研磨叶片厚度为1～3mm。在该参数范围内，相邻叶片组空间内的有机颜料趋向于一种涡流运动状态，在该涡流运动状态下，有机颜料粒子的自转速度加快，一方面增加了被撞击、剪切几率，提高了研磨效率，另一方面在一定程度上降低了有机颜料的聚合倾向，提高了分散效率。当研磨筒1为竖直放置时，该间距范围还可以最大限度地消除有机颜料受重力的影响，阻止有机颜料的下落趋势，因此可以充分地粉碎并分散有机颜料。当研磨叶片31高速搅拌有机颜料和研磨介质时，研磨介质具有较高的动能，因此一直有向研磨筒1内壁运动的趋势。本发明通过将研磨叶片31的外径设置为研磨筒1内径的65％～80％，很好地控制了研磨介质的运动，使大范围的研磨介质一直受研磨叶片31的驱动，对有机颜料进行有效的冲击和剪切。上述结构设计最大限度地提高了本发明研磨分散的质量和效果，使本发明可以获得粒度分布在10～100nm的窄范围内的有机颜料，且粒度分布稳定性高。

在本发明上述技术方案中，研磨筒1的振动频率大于2500次/分钟，振动振幅为研磨筒长度的0.5％～2.5％，转轴2的转速大于4000转/分钟，有机颜料在高速转动和高频振动下的综合作用下获得充分的分散和研磨，具有较高的分散和研磨效率。研磨筒1、转轴2和研磨叶片31与有机颜料接触的部位全部采用耐磨陶瓷或刚玉结构，防止金属剥落影响最终产品的性能。

在上述技术方案基础上，本发明还针对研磨叶片进行了优化设计，充分发挥本发明技术方案的综合效能，下面予以具体说明。

本发明研磨叶片的第一种实施方式采用凹形研磨叶片结构，图2a～图2c为本发明凹形研磨叶片的结构示意图。研磨叶片31整体结构为一凹形板，形状可以是矩形、平行四边形、长椭圆形或其他类似形状，短边一端固接在转轴2上。图2a～图2c只示意了矩形叶片，其截面形状具体为折边板“〈”形(如图2a所示)、弧形板“(”形(如图2b所示)或多折板“〔”形(如图2c所示)，其凹面朝向研磨叶片31的转动方向。研磨叶片31的上述截面形状设计一方面提高了其搅拌、冲击有机颜料的效率，另一方面消除了现有技术研磨叶片转动中推动有机颜料只朝一个方向运动、有机颜料可能出现堆积和堵塞的技术缺陷，使本发明研磨筒1内的有机颜料呈现均匀分布，提高研磨、分散效率。

图3a～图3c为本发明凹形研磨叶片截面形状示意图。考虑到有机颜料流过研磨叶片31的流动特性，本实施例将凹形板的凹面特性进行了设计。针对折边板“〈”形，其二折边的折角α为150°～176°(如图3a所示)；针对弧形板“(”形，其两端切线的夹角α为150°～176°(如图3b所示)；针对多折板“〔”形，其两端斜边延长线的夹角α为150°～176°(如图2c所示)。本实施例的上述优化设计使流过研磨叶片31的有机颜料在叶片后部可以形成稳定的流态，如夹角α太大会在叶片后部形成低压区，不利于有机颜料的相互碰撞，夹角α太小将导致叶片对有机颜料的冲击减弱，都会降低研磨分散效率。本发明优选夹角α值为160°～170°，还可以提高凹形研磨叶片驱动研磨介质对有机颜料进行冲击和剪切的综合效率。

如图2a～图2c所示，本实施例研磨叶片31上的通孔311可以为矩形(如图2a所示)、椭圆形(如图2b所示)、三角形或圆形(如图2c所示)，通孔311数量可以为1～20个，优选通孔形状为椭圆形。通孔311为径向设置，即其长轴或长边与研磨叶片31的转动方向垂直。当研磨介质和有机颜料通过通孔311时，可以利于通孔311的长边缘对有机颜料产生进一步的剪切，提高研磨、分散效率。本实施例通过对研磨叶片31的振动特性和有机颜料的运动特性的理论、实验分析，提出了优选的通孔311参数，即通孔311的总面积为研磨叶片面积的20％～40％。当通孔311设置在上述参数范围内时，通孔311附近可以形成湍流区，使湍流区内的有机颜料粒子既有宏观的随叶片旋转的运动，又具有微观的杂乱无章的运动，提高了粒子相互撞击的几率，进一步提高研磨分散效率。

本发明研磨叶片的第二种实施方式采用带扭转的板形研磨叶片结构，图4a～图4c为本发明板形研磨叶片的结构示意图。研磨叶片31整体结构为一平板，形状可以是近矩形、近梯形、近椭圆形或其他相似叶片形状，短边一端固接在转轴2上。图4a～图4c只示意了近梯形形状，具有向着其转动方向(B向)弯曲的叶片前缘312，且向着其转动方向扭转10～25度。该扭转可以是叶片整体扭转，也可以是从叶片根部向叶片尖部逐渐加大扭转角。作为本实施方式优选的技术方案，研磨叶片31可以进一步地设计成相邻研磨叶片31的扭转方向相反。研磨叶片31的这种优选结构设计一方面提高了其搅拌效率和剪切效率，并提高了研磨叶片31驱动研磨介质对有机颜料进行冲击和剪切的效能，另一反面，通过相邻叶片的相反扭转方向消除了现有技术研磨叶片转动中推动有机颜料只朝一个方向运动、有机颜料可能出现堆积和堵塞的技术缺陷，使本发明研磨筒1内的有机颜料呈现均匀分布，同时还使有机颜料在不同扭转方向的扭转叶片的驱动下加速撞击，提高了对有机颜料进行冲击和剪切的效能。

如图4a～图4c所示，本实施例研磨叶片31上的通孔311可以为矩形(如图4a所示)、椭圆形(如图4b所示)、三角形或圆形(如图4c所示)，通孔311数量可以为1～20个，优选通孔形状为椭圆形。有关通孔311的相应参数设计、作用和效果与第一实施方式基本相近，不再赘述。

本发明进行了不同设计参数的研磨分散试验，物料为DPP红色颜料40g、超分散剂23g、溶剂400g、树脂26g的混合液，研磨筒相关参数值为：

研磨筒内径：300毫米；

研磨筒内腔高度：108毫米；

转轴外径：40毫米；

研磨叶片外径：240毫米；

研磨叶片厚度：1.5毫米；

研磨筒振动频率：2900次/分钟；

研磨筒振动振幅：1.6毫米；

转轴转速：4500转/分钟。

试验一：叶片组间距为12毫米，研磨叶片为凹形，宽度为7毫米，研磨叶片折角α为160度，矩形通孔共2个，每个长50毫米、宽1.5毫米，研磨1.5小时后采用纳米颗粒粒度仪对颜料粒度分布情况进行测试，粒子平均值为86.4nm。

试验二：叶片盘间距为15毫米，研磨叶片为凹形，宽度为7毫米，研磨叶片折角α为166度，椭圆形通孔共4个，每个长30毫米、宽2.2毫米，研磨1.5小时后采用纳米颗粒粒度仪对颜料粒度分布情况进行测试，粒子平均值为78.6nm，如图5所示。

试验三：叶片盘间距为18毫米，研磨叶片为凹形，宽度为7毫米，研磨叶片折角α为170度，圆形通孔共20个，每个半径2.1毫米，研磨1.5小时后采用纳米颗粒粒度仪对颜料粒度分布情况进行测试，粒子平均值为83.2nm。

试验四：叶片盘间距为12毫米，研磨叶片为板形，扭转角15度，研磨叶片的扭转方向相同，一个矩形通孔面积为研磨叶片有效面积的20％，研磨1.5小时后采用纳米颗粒粒度仪对颜料粒度分布情况进行测试，粒子平均值为89.3nm。

试验五：叶片盘间距为15毫米，研磨叶片为板形，扭转角20度，相邻研磨叶片的扭转方向相反，一个椭圆形通孔面积为研磨叶片有效面积的24.7％，研磨1.5小时后采用纳米颗粒粒度仪对颜料粒度分布情况进行测试，粒子平均值为81.2nm，如图6所示。

试验六：叶片盘间距为18毫米，研磨叶片为板形，扭转角25度，相邻研磨叶片的扭转方向相反，多个圆形通孔面积为研磨叶片有效面积的28.4％，研磨1.5小时后采用纳米颗粒粒度仪对颜料粒度分布情况进行测试，粒子平均值为85.2nm。

图5、图6分别为试验二、试验五的测试结果图。从图5、图6所示的测试结果可以看出，椭圆形通孔的研磨效果好于矩形和圆形通孔，通孔面积为研磨叶片有效面积的25～30％左右时粒子平均值较低，但有机颜料的产品粒度分布均在10～100nm范围内，完全满足彩色滤光片颜料光阻用颜料的性能要求，且研磨时间短，效率高。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种有机颜料研磨分散装置，其特征在于，包括：

一研磨筒，为内腔保持一定温度的封闭筒体，以一定频率做轴向振动；一转轴，一端插入所述研磨筒，以一定转速旋转；

数个叶片组，依次固接在研磨筒内的转轴上，每一叶片组具有数个沿所述转轴周向均布的研磨叶片，所述研磨叶片的表面设置有通孔。

2.如权利要求1所述的有机颜料研磨分散装置，其特征在于，所述研磨筒的筒壁为由内壁和外壁构成的夹层结构，内壁和外壁的夹层内充有对研磨筒内有机颜料进行冷却的冷却水，所述外壁上设置有入水口和出水口。

3.如权利要求1所述的有机颜料研磨分散装置，其特征在于，所述研磨筒通过弹性机构和振动板与振动机构连接，并设置在一限制研磨筒振动方向和振动幅度的支撑机构内。

4.如权利要求1所述的有机颜料研磨分散装置，其特征在于，所述研磨叶片的外径为所述研磨筒内径的65％～80％，研磨叶片的宽度为所述研磨筒长度的4.5％～9％，所述叶片组的间距为所述研磨筒长度的10％～20％。

5.如权利要求1～4任一所述的有机颜料研磨分散装置，其特征在于，所述研磨叶片上通孔形状为矩形、椭圆形、三角形或圆形，所述通孔面积为研磨叶片面积的20％～40％。

6.如权利要求5所述的有机颜料研磨分散装置，其特征在于，所述研磨叶片为一端固接在转轴上的凹形板，其截面形状为“<”形、“(”形或“〔”形。

7.如权利要求6所述的有机颜料研磨分散装置，其特征在于，所述“<”形的折角、所述“(”形两端切线的夹角、所述“〔”形两端斜边延长线的夹角为150°～176°。

8.如权利要求5所述的有机颜料研磨分散装置，其特征在于，所述研磨叶片为一端固接在转轴上的平板，具有向着其转动方向弯曲的叶片前缘，且向着其转动方向扭转10～25度。

9.如权利要求8所述的有机颜料研磨分散装置，其特征在于，所述同一叶片组中相邻研磨叶片的扭转方向相反。

10.如权利要求1～4任一所述的有机颜料研磨分散装置，其特征在于，所述研磨筒的振动频率大于2500次/分钟，振动振幅为所述研磨筒长度的0.5％～2.5％，所述转轴的转速大于4000转/分钟。

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