CN113181784A - 一种水性树脂连续型超声乳化装置及其使用方法 - Google Patents

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高凯
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Abstract

本发明提供一种水性树脂连续型超声乳化装置及其使用方法，包括乳化腔和预混腔，预混腔顶部设置有第一进料口和第二进料口，预混腔中设置有混料搅拌装置，预混腔底部的出料口通过进料泵与乳化腔的进料口连接，乳化腔顶部和底部均设置有聚能超声波发生器，聚能超声波发生器的超声探头伸入乳化腔中，乳化腔顶部设置有高速分散机，高速分散机的分散盘设置在乳化腔中，乳化腔外壁设置有多组发散超声波发生器，乳化腔出料口设置有出料口阀门。本发明利用超声波的机械效应和空化效应在两种物料之间形成微粒间的剧烈作用，在很短的时间内完成物料的乳化过程，改善了超声乳化装置的连续性，提高了乳化产物的产量和产出效率。

Description

一种水性树脂连续型超声乳化装置及其使用方法
技术领域
本发明属于水性树脂生产技术领域，具体属于一种水性树脂连续型超声乳化装置及其使用方法。
背景技术
在工业生产过程中，乳化工艺是产品生产过程中重要的工艺。超声乳化是指在超声波能量作用下，使两种或两种以上不相溶液体混合均匀形成分散物系，其中一种液体均匀分布在另一液体之中而形成乳状液的工艺过程。
现在人们所能接受关于超声乳化的机理有两种，一是空化机理，二是界面不稳定性机理。超声波空化机理是指在强超声波作用下，液体内会产生大量的小气泡，小气泡将随着超声振动而逐渐生长和增大，然后又突然破灭和分裂，分裂后的气泡又连续生长和破灭。这些小气泡急速崩溃时在气泡内产生了高温高压，且因气泡周围的液体高速冲入气泡而在气泡附近的液体中产生了强烈的局部激波，也形成了局部的高温高压，从而产生了超声的粉碎、乳化作用。界面不稳定性机理是指当超声射到两液体分界面上时，界面受到很高的周期性加速度，从而导致界面不稳定，相应的使界面的扰动增大，最后引起一种液体残缺不全地射入到另一种液体，导致乳化。空化和界面不稳定性都是造成超声乳化的原因，这两种机理单独地支配乳化过程或者互相补充，这取决于实验条件。在有利的液体条件下，如有溶解气体、低外压力、低粘滞性等，空化机理是主要的；而当两液体密度相差很大时，界面不稳定性是支配因素。
超声乳化与螺旋浆、胶体磨和均化器等一般乳化设备相比具有许多优点:(1)所形成的乳液平均液滴尺寸小，可为0.2～2μm；液滴尺寸分布范围窄，可为0.1～10μm或更窄；浓度高，纯乳液浓度可超过30％，外加乳化剂可高达70％。(2)所形成的乳液更加稳定。超声乳化的一个重要特点就是可以不用或少用乳化剂使产生极稳定的乳液。(3)可以控制乳液的类型。采用超声乳化，在某些声场条件下，O/W(水包油)和W/O(油包水)型乳液都可制备，然而用机械乳化方法这是不可能的。(4)生产乳液所需功率小。超声乳化的明显优点已促使它在食品、造纸、油漆、化工、医药、纺织、石油、冶金等许多工业处理中已越来越多地得到应用。
在高分子树脂材料的生产过程中，乳化工艺是产品生产过程中最重要的工艺。传统的树脂乳化装置基本上是使用反应釜或单独的分散釜，在釜内设置高速分散机的方式进行乳化。这种方式有很多缺点，一是对于大型反应釜而言，需要大功率的供电设备，投资大，能耗高；二是分散盘不能对釜内所有树脂预聚体形成有效的剪切，可能会导致乳化失败或乳胶粒子直径过大等缺点。
目前，在高分子树脂材料领域乳化效果较好的装置是间歇式超声乳化装置，此装置的优点是乳胶粒子更小，粒径分布更好，乳液稳定性好，投资低，能源消耗少，但是这种乳化装置产量低，连续性差，针对这一缺点，设计出一种连续型的超声乳化装置，将连续型超声乳化装置的优势在树脂工业上应用，提高产量和效率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种水性树脂连续型超声乳化装置及其使用方法，采用管道式超声乳化处理中的瞬间法，改善了超声乳化装置的连续性，提高了乳化产物的产量和产出效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水性树脂连续型超声乳化装置，包括乳化腔和预混腔，所述预混腔顶部设置有第一进料口和第二进料口，所述预混腔中设置有混料搅拌装置，所述预混腔的底部的出料口通过进料泵与乳化腔的进料口连接，所述乳化腔顶部和底部均设置有聚能超声波发生器，所述聚能超声波发生器的超声探头伸入所述乳化腔中，所述乳化腔顶部设置有高速分散机，所述高速分散机的分散盘设置在所述乳化腔中，所述乳化腔外壁设置有多组发散超声波发生器，所述乳化腔出料口设置有出料口阀门。
进一步的，所述预混腔纵向截面为U型，所述U型预混腔上部2/3腔体为圆柱体、下部1/3腔体为半球体。
进一步的，所述预混腔的外壁设置有夹套，所述夹套一侧的中部设置有预混腔水蒸气入口，底部设置有预混腔冷却水入口，所述夹套另一侧的底部设置有预混腔冷凝水出口，顶部设置有预混腔冷却水出口。
进一步的，所述聚能超声波发生器上下穿插设置，所述聚能超声波发生器至少设置四个；所述聚能超声波发生器的超声探头的长度为乳化腔高度的3/4。
进一步的，所述乳化腔为一横向圆柱体，所述乳化腔的外壁设置有夹套，所述夹套一侧的中部设置有乳化腔水蒸气入口，另一侧顶部设置有乳化腔冷却水出口，乳化腔底部设置有乳化腔冷却水入口和乳化腔冷凝水出口，所述乳化腔的顶部设置人孔、观察孔和二次加料口。
进一步的，乳化腔夹套上设置有矩形凹槽，所述矩形凹槽中设置发散超声波发生器，使发散超声波发生器紧贴在乳化腔外部侧壁上。
进一步的，每组发散超声波发生器包括两个对称设置在乳化器外壁上的发散超声波发生器；所述乳化器上至少设置四组发散超声波发生器。
进一步的，所述高速分散机频率可调，转速为0-1500rpm。
进一步的，还包括控制装置，所述控制装置上部设有触屏控制屏，所述控制装置具有登录保护、过载保护和热保护，所述控制装置可以控制第一加料口和第二加料口的流量。
本发明还提供一种水性树脂连续型超声乳化装置的使用方法，开启混料搅拌装置，按物料混合比例从第一加料口和第二加料口向预混腔中加入物料进行混料，混料均匀后通过进料泵将物料泵入乳化腔中，启动聚能超声波发生器，发散超声波发生器和高速分散机，利用聚能超声波发生器和发散超声波发生器的超声波空化效应以及高速分散机的剪切作用，将两种或两种以上物料混合均匀形成分散物系，当物料在乳化过程中达到工艺要求后打开出料口阀门，实现连续工作。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种水性树脂连续超声乳化装置，包括预混腔和乳化腔，将物料先通入预混腔中进行混合，最大程度的保证物料混合均匀，使之后的超声乳化过程效率更高；在乳化腔中同时设置高速分散机、聚能超声波发生器和发散超声波发生器，乳化时利用通过超声波的机械效应和空化效应对物料形成微粒间的剧烈作用，在很短的时间内完成液体树脂在水中的乳化过程，同时加上高速分散机的剪切力，高效的解决高粘度树脂在超声乳化初期的混合问题。
进一步的，本发明的连续型超声乳化装置与间歇式超声乳化装置相比，乳化腔设有更多的聚能和发散超声波发生器，可以根据工艺要求来调整开启的组数，也可根据乳化效果更换超声波发生器来调整功率；由于物匀料前期在预混腔中混合均，并且乳化腔中超声波发生器排列密集、合理，可以极大地加快乳化速度，提高效率。
优选的，本发明的聚能超声波发生器和发散超声波发生器可以同时与高速分散器使用也可单独与高速分散器使用，以适应不同树脂乳化时的需要。
附图说明
图1是设计的结构示意图；
图中，1.控制装置；2.预混腔冷却水入口；3.预混腔冷凝水出口；4.预混腔支架；5.进料泵前阀门；6.进料泵；7.乳化腔水蒸气入口；8.乳化腔；9.乳化腔冷却水入口；10.发散超声波发生器；11.聚能超声波发生器；12.分散盘；13.乳化腔冷凝水出口；14.出料口阀门；15.乳化腔冷却水出口；16.人孔；17.高速分散机；18.观察孔；19.超声探头；20.二次加料口；21.逆止阀；22；预混腔冷却水出口；23.第一加料口；24.混料搅拌装置；25.预混腔；26.第二加料口；27.预混腔水蒸气入口；28.触屏控制屏。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的主要思路是采用管道式超声乳化处理中的瞬间法，提供的一种水性树脂连续型超声乳化装置，具体包括：
通过管道连接在一起的预混腔25和乳化腔8，预混腔25上设置有第一加料口23和第二加料口26，以便将连续相和分散相分开加入到预混腔25中，从而控制连续相和分散相的混合比例，预混腔25和乳化腔8的外壁均设置有夹套，夹套的底部均设有冷却水入口和冷凝水出口，夹套一侧的中部设有水蒸气入口，夹套另一侧的上部设有冷却水出口，可以通冷却水或者水蒸气对进入预混腔25和乳化腔8的物料进行降温和加热处理；
优选的，预混腔25顶部安装有混料搅拌装置24，混料搅拌装置24的搅拌棒伸入预混腔25中，混料搅拌装置24通过反应调速电机控制搅拌速度；
优选的，预混腔25的纵向截面为U型，预混腔25本体上部2/3为圆柱体、下部1/3为半球体，预混腔25通过预混腔支架4固定在地面，拥有半球体底部的预混腔使物料在超声乳化前混合的更加均匀；
优选的，预混腔25的外壁设置有夹套，夹套一侧的中部设置有预混腔水蒸气入口27，底部设置有预混腔冷却水入口2，夹套另一侧的底部设置有预混腔冷凝水出口3，顶部设置有预混腔冷却水出口22，如果原料在搅拌混料过程中产生热量，则通过预混腔冷却水入口2向夹套内不断通入冷却水以防止混料受热反应或气化，冷却水通过预混腔冷却水出口22流出夹套；如果物料需要加热才能更好的混合，则可以通过预混腔水蒸气入口27向夹套中加入水蒸气，水蒸气冷凝下来的水通过预混腔冷凝水出口3流出夹套。
乳化腔8为横向的圆柱体，乳化腔8的顶部安装高速分散机17，高速分散机17的分散盘12伸入到乳化腔8底部；乳化腔8的顶部和底部均设置有聚能超声波发生器11，聚能超声波发生器11上下穿插设置，聚能超声波发生器11的超声探头19伸入乳化腔8中；乳化腔8外壁一圈安装有多组发散超声波发生器10，每组发散超声波发生器10包括两个发散超声波发生器10，两个发散超声波发生器10对称分布在乳化腔8的外壁上，乳化腔8右侧设有出料口，所得产品能够从出料口不断输出，出料口处设置出料口阀门14能够调节出料速度；
优选的，聚能超声波发生器11至少设置四个；
优选的，发散超声波发生器10至少设置四组；
优选的，多组发散超声波发生器10包括对称安装在乳化腔8顶部和底部的两个发散超声波发生器10，上述两个发散超声波发生器10组成纵向发散超声波发生器；还包括对称安装在乳化腔8纵向圆形截面的水平直径方向上的两个发散超声波发生器10，上述两个发散超声波发生器10组成横向发散超声波发生器，纵向发散超声波发生器和横向发散超声波发生器均可在乳化腔8横轴方向上设置多组。
优选的，纵向发散超声波发生器安装时，每两组安装在一起。
优选的，多组发散超声波发生器10可将乳化腔8外壁等分。
优选的，聚能超声波发生器11的超声探头19的伸入长度为乳化腔8内腔高度的3/4，单个聚能超声波发生器11的超声功率为3000-6000w可调，超声频率为20KHz。
优选的，高速分散机17的频率可调，转速为0-1500rpm；
优选的，每组发散超声波发生器10的超声功率为1000w，超声频率为40KHz。
优选的，乳化腔8的侧壁上设置有夹套，夹套一侧的中部设置有乳化腔水蒸气入口7，另一侧顶部设置有乳化腔冷却水出口15，乳化腔8底部设置有乳化腔冷却水入口9和乳化腔冷凝水出口13，通过不断通入冷却水或者水蒸汽来调节物料温度，保证物料在乳化过程中达到最佳温度，增强乳化效果，提高产品质量；
优选的，乳化腔8夹套上设置有矩形凹槽，该矩形凹槽可使发散超声波发生器10紧贴在乳化腔8外部侧壁上，避免夹套内的液体或气体影响发散超声波发生器10的正常工作，在清洗乳化腔8时也可以开启发散超声波发生器10，提高清洁效率。
优选的，乳化腔8顶部还设有二次加料口20，二次加料口20可以在乳化前加入一些特定物料，防止物料在混料的过程中发生副反应。
优选的，乳化腔8顶部还加设有人孔16和观察孔18，方便观察内部情况和维修。
当整个乳化腔8中设置两个高速分散机17，四个聚能超声波发生器11，六组发散超声波发生器10时，可将其平均分为两组，每组包括一个高速分散机17，两个聚能超声波发生器11，三组发散超声波发生器10，在工作期间可根据工艺要求随时调整器件的开设数量。
优选的，乳化腔8和预混腔25均采用不锈钢材料；
优选的，乳化腔8和预混腔25的连接管道中间连接有进料泵6，与进料泵6进口连接的管道上设置有进料泵前阀门5，与进料泵出口连接的管道上设置有逆止阀21，能够防止进料泵6停止运行后乳化腔8中的物料倒流。
优选的，还包括控制装置1，控制装置1整体安装在地面上，控制装置1上部设有触屏控制屏28，具有登录保护，过载保护和热保护，同时可以控制第一加料口23和第二加料口26进入物料的流量来调整物料加入比例；
本发明提供的一种水性树脂连续型超声乳化装置的使用方法，具体步骤如下：
开启混料搅拌装置24，然后从第一加料口23和第二加料口22向预混腔25内按混合比例分别加入连续相和分散相，在混料过程中，可以通过混料调速电机调节混料腔搅拌装置24的搅拌速度，如果原料在搅拌混料过程中产生热量，则通过预混腔冷却水入口2向夹套内不断通入冷却水以防止混料受热反应或气化，冷却水通过预混腔冷却水出口22流出夹套；如果物料需要加热才能更好的混合，则可以通过预混腔水蒸气入口27加入水蒸气，水蒸气冷凝下来的水通过预混腔冷凝水出口3流出夹套。混料均匀后打开进料泵前阀门5进行灌泵，灌泵完成后打开进料泵6和逆止阀21并向乳化腔8的夹套中不断通入冷却水或者水蒸气，混合均匀的物料在进料泵6的作用下进入乳化腔8，启动聚能超声波发生器11，发散超声波发生器10和高速分散机17；高速分散机17利用分散盘12对乳化腔8中的物料进剪切，聚能超声波发生器11和发散超声波发生器10共同作用，利用超声波空化效应，将乳化腔8中的物料混合均匀形成分散物系；乳化腔8的出料口是开放式的，乳化腔8的出料口开始是关闭的，当物料在乳化过程中达到工艺要求后打开出料口阀门14，能够在进行乳化的同时快速出料，实现连续化大生产。综合以上几点，本发明能够实现水性树脂的连续型超声乳化。
本发明的连续式超声乳化装置在工作中，通过预混腔25可以最大程度的保证物料混合均匀，使之后的超声乳化过程效率更高；相比间歇式超声乳化装置，乳化腔8设有更多的聚能和发散超声波发生器，可以根据工艺要求来调整开启的组数，也可根据乳化效果调整超声波发生器的功率；高速分散机17利用分散盘12对物料进行搅拌剪切，但高速分散机17单独使用时不能对乳化腔8中所有的树脂预聚体形成有效的剪切，局部树脂预聚体可能粘附在乳化腔8的内壁上形成厚厚的树脂层，所以本发明设计成高速分散和超声波两用，以解决高粘度树脂在乳化初期的混合问题；
本发明的发散超声波发生器10和聚能超声波发生器11可以同时与高速分散器17使用也可以单独与高速分散器17使用，可以有效应用于不同树脂乳化的需求；本发明中聚能超声波发生器11和发散超声波发生器10共同作用，利用超声波空化效应，将两种或两种以上不相溶液体混合均匀形成分散物系，其中一种液体均匀分布在另一液体之中而形成乳状液。
本发明可以根据工艺要求来调整发散超声波发生器10和聚能超声波发生器11开启的组数，也可根据乳化效果更换超声波发生器来调整功率；由于高速分散器17、发散超声波发生器10和聚能超声波发生器11排列密集、合理，可以极大地加快乳化速度，提高效率；
在工业上，本发明也可以应用于其他物料的乳化，例如聚氨酯的制备，燃油掺水等，可以实现工业上的连续生产，生产效率高，产品质量好，这种水性树脂连续型超声乳化装置将具有非常广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种水性树脂连续型超声乳化装置，其特征在于，包括乳化腔(8)和预混腔(25)，所述预混腔(25)顶部设置有第一进料口(23)和第二进料口(26)，所述预混腔(25)中设置有混料搅拌装置，所述预混腔(25)的出料口通过进料泵(6)与乳化腔(8)的进料口连接，所述乳化腔(8)顶部和底部均设置有聚能超声波发生器(11)，所述聚能超声波发生器(11)的超声探头(19)伸入所述乳化腔(8)中，所述乳化腔(8)顶部设置有高速分散机(18)，所述高速分散机(18)的分散盘(12)设置在所述乳化腔(8)中，所述乳化腔(8)外壁设置有多组发散超声波发生器(10)，所述乳化腔(8)出料口设置有出料口阀门(14)。
2.根据权利要求1所述的一种水性树脂连续型超声乳化装置，其特征在于，所述预混腔(25)纵向截面为U型，所述U型预混腔(25)上部2/3腔体为圆柱体、下部1/3腔体为半球体。
3.根据权利要求1所述的一种水性树脂连续型超声乳化装置，其特征在于，所述预混腔(25)的外壁设置有夹套，所述夹套一侧的中部设置有预混腔水蒸气入口(27)，底部设置有预混腔冷却水入口(2)，所述夹套另一侧的底部设置有预混腔冷凝水出口(3)，顶部设置有预混腔冷却水出口(22)。
4.根据权利要求1所述的一种水性树脂连续型超声乳化装置，其特征在于，所述聚能超声波发生器(11)上下穿插设置，所述聚能超声波发生器(11)至少设置四个；所述聚能超声波发生器(11)的超声探头(19)的长度为乳化腔高度的3/4。
5.根据权利要求1所述的一种水性树脂连续型超声乳化装置，其特征在于，所述乳化腔(8)为一横向圆柱体，所述乳化腔(8)的外壁设置有夹套，所述夹套一侧的中部设置有乳化腔水蒸气入口(7)，另一侧顶部设置有乳化腔冷却水出口(15)，乳化腔(8)底部设置有乳化腔冷却水入口(9)和乳化腔冷凝水出口(13)，所述乳化腔(8)的顶部设置人孔(16)、观察孔(18)和二次加料口(20)。
6.根据权利要求5所述的一种水性树脂连续型超声乳化装置，其特征在于，乳化腔(8)夹套上设置有矩形凹槽，所述矩形凹槽中设置发散超声波发生器(10)，使发散超声波发生器(10)紧贴在乳化腔(8)外部侧壁上。
7.根据权利要求1所述的一种水性树脂连续型超声乳化装置，其特征在于，每组发散超声波发生器(10)包括两个对称设置在乳化器(8)外壁上的发散超声波发生器(10)；所述乳化器(8)上至少设置有四组发散超声波发生器(10)。
8.根据权利要求1所述的一种水性树脂连续型超声乳化装置，其特征在于，所述高速分散机(17)频率可调，转速为0-1500rpm。
9.根据权利要求1所述的一种水性树脂连续型超声乳化装置，其特征在于，还包括控制装置(1)，所述控制装置(1)上部设有触屏控制屏(28)，所述控制装置(1)具有登录保护、过载保护和热保护，所述控制装置(1)可以控制第一加料口(23)和第二加料口(26)的流量。
10.权利要求1至9中任一项所述的一种水性树脂连续型超声乳化装置的使用方法，其特征在于，开启混料搅拌装置(24)，按物料混合比例从第一加料口(23)和第二加料口(26)向预混腔(25)中加入物料进行混料，混料均匀后通过进料泵(6)将物料泵入乳化腔(8)中，启动聚能超声波发生器(11)，发散超声波发生器(10)和高速分散机(17)，利用聚能超声波发生器(11)和发散超声波发生器(10)的超声波空化效应以及高速分散机(17)的剪切作用，将两种或两种以上物料混合均匀形成分散物系，当物料在乳化过程中达到工艺要求后打开出料口阀门(14)，实现连续工作。
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