FI91602B - Menetelmä pigmenttien tai sentapaisten hienojakoisten kiinteiden hiukkasten dispergoimiseksi väliaineeseen - Google Patents

Description

91602

Menetelmä pigmenttien tai sentapaisten hienojakoisten kiinteiden hiukkasten dispergoimiseksi väliaineeseen

Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista menetelmää pigmenttien ja muiden hienojakoisten kiinteiden hiukkasten jatkuvatoimiseksi dispergoimiseksi nestemäiseen väliaineeseen.

Dispergoinnilla tarkoitetaan yleisesti aineen mahdollisimman hienoa jakamista toiseen aineeseen. Näin muodostuvassa dispersiossa on läsnä ainakin kaksi faasia, joista toinen (nk. dispersioaine) on jatkuva ja toinen koostuu mainitusta hienojakoisesta aineesta. Dispergointia käytetään paljon keraamisessa teollisuudessa, maaliteollisuudessa sekä paperin-päällystyspastojen valmistuksessa. Näillä teollisuusaloissa halutaan dispergoinnilla saada aikaan tuotteita, joissa nestemäinen väliaine sisältää hienojakoisia mineraalihiukkasia. Mineraalihiukkasten dispergointi suoritetaan yleensä kyseisessä väliaineessa.

Dispergoinnissa käytetään usein avuksi dispergointiapuainei-ta, jotka ovat orgaanisia tai epäorgaanisia mono- tai polymeerisiä aineita, jotka edistävät dispergointia alentamalla komponenttien välistä pintajännitystä. Dispergointiapuai-neilla on tyypillisesti kaksi pintaominaisuuksiltaan erilaista ryhmää tai päätä, nimittäin partikkelin pintaan kiinnittyvä pää ja väliaineeseen liukeneva pää.

Tunnetaan myös dispergoinnille vastakkainen menetelmä, jota kutsutaan flokkuloinniksi. Termi tarkoittaa pienten partik-keleiden yhdistämistä tavallisesti hitaalla sekoituksella väliaineessa. Tämä ns. "shear-flocculation" on mielenkiintoinen, mutta vähän tarvittu menetelmä.

Kaikki dispergointitapahtumat ovat aina myös flokkulointi-tapahtumia. Niinpä, kun esim. sekoitetaan pigmenttejä nesteeseen (tavallisesti veteen), asettuu tietyssä laitteessa ja tietyllä sekoituksen tehotasolla pigmenttilietteeseen dynaa 2 916Q2 minen tasapaino, jolloin aikayksikössä tapahtuu yhtä monta pigmenttipartikkeleiden yhtymistä kuin niiden flokkien hajoamistakin.

Tyypillinen dispergointi tapahtuu sekoitussäiliössä, jossa dispergoitava seos on jatkuvassa vaiheessa. Säiliöön muodostetaan jatkuva, lähinnä normaalijakautumaa noudattava turbulenssin ja tätä kautta leikkausvoimien spektri. Tällä leik-kausvoimien alueella on kuitenkin aina jossakin vaiheessa niin alhainen intensiteetti, että - yllä mainitun tasapainon asettumisen vuoksi - flokkuloituminen pääsee alkamaan ja osa dispergoinnista menetetään. Kun dispergointiin käytetään esim. yhdellä tai kahdella sekoittimella varustettua säiliötä, on korkean intensiteetin omaavan vyöhykeen tilavuus vain noin 10 - 15 % koko astian tilavuudesta.

Tunnetaan kuitenkin myös sellaisia laitteita dispersioiden valmistamiseksi, joissa korkean intensiteetin omaava vyöhyke on tilavuudeltaan suurempi. Niinpä ns. helmimyllyssä, jota käytetään väripigmenttien dispergointiin, on sekoitus ja dispergointi tehokasta koko laitteen tilavuudessa. Epäkohtana on kuitenkin laitteen tarvitsemat suuret tehot ja sen voimakas kuluminen. Helmimyllyn tehoa rajoittaa normaalisti myös myllyn vaatima suuri jäähdytysteho.

Muoviteknologiassa voidaan täyteaineita dispergoida tehokkaasti myös jatkuvien leikkausvoimien alaisina ns. ekstruu-derissa, eli suulakepuristimessa. Hyvin suuren viskositeetin omaava muovimassa toimii tehokkaana leikkausvoimien välittäjänä kautta koko ekstruuderin tilavuuden, jossa työtä suorittaa ekstruuderin ruuvi. Dispergoitaessa pigmenttejä veteen tms. nestemäiseen väliaineeseen, jossa viskositeetti on ; alhainen, sanottu ekstruuderi kuitenkin vain edesauttaa flokkuloitumista, eikä toimi dispergointilaitteena.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnettuihin ratkaisuihin liittyvät epäkohdat ja saada aikaan aivan uudenlainen menetelmä hiukkasten dispergoimiseksi väliainee-* seen.

3 91602

Olemme suorittamisssamme laajoissa kokeissa yllättäen havainneet, että kun dispergoiminen suoritetaan siten, että dispersion väliaineesta on dispergointitapahtumassa rajoitettu sen yhtä ulottuvuutta sanotun seoksen tilavuusalki-ossa, saadaan pienellä käyttöteholla aikaan hyvä dispergointi.

Keksinnön mukaan käytetään näin ollen sellaista dispergointi-laitteisto ja toimitaan sellaisissa dispergointiolosuhteet, että dispergoitava aine väliaineineen joutuvat virtaamaan kiivaasti vain tasossa, eli x,y-koordinaatistossa, silloin kun suuri leikkausvoima vaikuttaa, ja mahdollisimman vähän z-suunnassa. Tällöin dispersio valuu ohuena kalvona suurella kiihtyvyydellä. Kalvoa venytetään jatkuvasti virtauksen aikana, jolloin flokkulointi estyy. Sopivimmin hienojakoinen aine väliaineineen saatetaan kiihtyvään liikkeeseen keskipakovoiman avulla. Tarvittava leikkausvoima saadaan puolestaan keksinnön mukaan aikaan ohjaamalla se ohuena kalvona sellaisten sekoituspintojen yli, jotka ovat liikuteltavissa vastakkaisiin suuntiin.

Kun sanottu kalvo kootaan takaisin kolmiulotteiseksi disper-sionesteeksi, ei siihen enää anneta vaikuttaa mitään niin suurta sekoitusta tai leikkausvoimaa, että uudelleenflokku-lointi pääsisi tapahtumaan.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukainen menetelmä toteutetaan edullisesti disper-gointilaitteella, jossa on ainakin kaksi samankeskistä pyöritettävää kehää, jotka on varustettu oleellisesti levymäisillä törmäysesteillä eli siivillä ja joista ainakin ; yksi on sovitettu pyörimään vastakkaiseen suuntaan toiseen kehään (toisiin kehiin) nähden, jolloin kehät muodostavat dispergointivyöhykkeen.

Patenttihakemuksessamme PCT/FI90/00280 käsitellään edellä esitetyn rakenteen omaavaa roottorisekoitinta. Mainitussa 4 91602 hakemuksessa on kuvattu ratkaisu pastamaisen materiaalin poistamiseksi laitteesta. Hakemuksessa todetaan edelleen, että laitteen toiminnan edellytyksenä on se, että laitteen roottorit pyörivät niin nopeasti, että laite on olennaisen tyhjä sen toimiessa ja että laitteen tilavuudesta vain osa on materiaalin täyttämä. Tämä aiempi havainto on tehty silloin, kun laitetta on käytetty esim. betonimassan sekoitukseen. Vain osittaista täyttöä on käytetty siksi, että saadaan ilma pois sekoitettavasta materiaalista. Toisaalta sanottu betonimassan sekoitus poikkeaa suuresti pigmentti-massojen sekoituksesta ja dispergoinnista siksi, että pig-menttimassoilla on pieni raekokojakautuman suhde verrattuna betonimassaan.

Nyt olemme kehittäneet käytännön tutkimuksissa mainitun laitteen toimintaa edelleen sellaisille suspensioille, joissa partikkelikoot ovat lähes aina alle 100 mikronia, tyypillisesti 5-30 mikronia. Pienirakeinen materiaali sallii näet havaintomme mukaan aivan uudentyyppisen ajotavan sanotulle laitteelle. Keksinnön mukaan laitteeseen johdetaan siksi rajoitettu määrä syötettä, jolloin saadaan suurella pyörimisnopeudella toimittaessa aikaan riittävän ohuet kalvot laitteen siivillä. Edullisesti syötön tilavuusvirtauksen suhde dispergointivyöhykkeen uusiutuvaan pinta-alaan on tällöin korkeintaan noin 1:500, erityisen edullisesti korkeintaan noin 1:900. Uusiutuvalla pinta-alalla tarkoitetaan tämän hakemuksen puitteissa dispergointilaitteen kehien pyörimisnopeutta kerrottuna kehien siipien pinta-alalla.

Dispersion flokkuloinnin välttämiseksi dispergoinnin jälkeen keksinnön mukaan ei sovelleta mitään sellaista jälkisekoi-tusta, jonka intensiteetti saattaisi dispergoituneet hiukkaset uudelleen yhtymään. Niinpä mahdollisen jälkisekoituksen teho tulee olla pienempi kuin noin 0,2 kW/m3 tai vastaavasti suurempi kuin noin 5 kw/m3.

Esillä olevan keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Niinpä keksinnön mukaan vältetään dispergointilaitteen suu-

II

5 91602 ret tehonkulutukset, koska laitteen työtilavuus sen toimiessa keksinnön mukaisesti on olennaisesti tyhjää dispergoi-tavasta lietteestä, jotta sanottu filmi voisi muodostua.

Näin laitteessa ei juuri ollenkaan muodostu suspension sisäisiä leikkausvoimia, vaan lähes kaikki leikkaus tapahtuu ohuen filmin kiinteän pinnan välillä.

Keksintöä ryhdytään lähemmin tarkastelemaan seuraavan sovellutusesimerkin sekä oheisen piirustuksen avulla.

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävän laitteen periaatteellinen rakenne sivukuvantona. Kuviossa 2 on esitetty yläkuvantona kahden kehästön siipien vaihtoehtoiset asennot.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävä dispergointi-laite käsittää teräsrakenteisen, sopivimmin suorakulmion muotoisen runkokehikkorakenteen 1, jonka kulmissa on jalat, joiden varaan runko on sijoitettu alustan päälle. Runkoke-hikkoon 1 on asennettu jauhinosa 2, joka käsittää rummun 3. Rummun 3 yläpintaan muodostetun syöttöaukon kohdalle on sijoitettu syöttösuppilo 4. Rummun 3 sisään on laakeroitu kaksi sekoituskehästöä 5 ja 6, joiden pyörivät tasomaiset kehä-levyt on varustettu kehien pyörimissuuntaan nähden kohtisuorilla siivillä 7. Kehästöt on laakeroitu samankeskisesti samalle akselille. Jauhatuskehien 5 ja 6 pyörittämiseksi ne on yhdistetty kiilahihnojen ja käyttöakselin ja -pyörän 8 välityksellä sähkömoottoreiden käyttöakseleihin siten, että kehästöt 5 ja 6 ovat pyöritettävissä vastakkaisiin suuntiin.

Rummun 3 sivuun on järjestty vaakasuora poistoputki 9. Alemman jauhatuskehän 6 alalevyn halkaisija on ainakin jonkin verran yläjauhatuskehälevyn 5 halkaisijaa suurempi, jolloin alalevyn 6 jatketulle liepeelle on sovitettu alalevyn mukana pyörivät poistosiivet 10, jotka on asennettu oleellisesti pystysuoraan asentoon. Poistosiipien 10 tehtävänä on kaapia rummun sisävaippaan paiskautunut materiaali ja poistaa se putken 9 kautta dispergointilaitteesta.

6 y1602

Laitteen siivet 7 voivat olla tasomaisia tai lievästi kaarevia ja ne voivat olla eteenpäin tai taaksepäin kallistettuja. Käytettäessä laitetta dispergoitava aine törmää siipiin ja niiden pinnasta pigmenttiäispersio valuu olennaisesti keskipakovoiman ajamana ohuena kalvona pois ja joutuu törmäämään uuteen vastakkaiseen suuntaan pyörivän kehän siipiin. Törmäyksessä syötetty flokki tai partikkelikimppu (esim. kaoliinin liuskat eroavat) hajoaa ja sitä seuraavassa venytyksessä partikkelit ajetaan niin kauaksi toisistaan, että ne joutuvat kontaktiin väliaineen kanssa kokonaan, sensijaan, että ne yhtyisivät uudelleen toistensa kanssa.

Dispergoitava hienoaine ja neste syötetään joko erikseen tai nestesuspension muodossa syöttösuppilon 4 kautta laitteeseen.

Kuviossa 2 on esitetty kehästöjen 5 ja 6 siipien vaihtoehtoisia asentoja. Yksinkertaisuuden vuoksi eri tapaukset on esitetty samassa kuviossa. Tapauksessa A siivet 7 ovat sä-teittäisesti asennetut.

Eri aineita sekoitettaessa tai dispergoitaessa tapahtuu laitteen roottoreissa 5 ja 6 hieman erilaisia kulumisia. Kallistamalla roottorisiipiä, eli asettamalla ne säteittäi-sesti kulma-asentoon, voidaan kulumista hallita ja sekoituksen tulosta ohjata. Eteenpäin kallistetut siivet (tapaus B) muutetaan helposti taaksepäin kallistetuisi siiviksi (tapaus C) muuttamalla roottorin kiertosuuntaa. Kallistuksella sinänsä on funktiona se, että tällä lailla parannetaan tilastollisesti sitä tapahtumaa, että joku partikkeli joutuu täydellä varmuudella yhden tai usemman kerran törmäämään siipiin. Parhaimmin se toteutuu, kun siivet ovat lievästi eteenpäin kallistetut. Edullisesti ne ovat korkeintaan noin ; 60° eteenpäin kallistetut. Kallistamalla siipiä taaksepäin (korkeintaan noin 60e) saadaan puolestaan siipien kulutus pienennetyksi.

Il 7 91602

Esimerkki:

Titaanioksidipigmenttiä lietettiin veteen 70 %:na suspensiona seuraavasti:

Dispergointiin käytettiin edellä kuvatunlaista laitetta, jossa kuitenkin oli neljä kehää. Kehissä oli siipiä 8 kpl, jolloin yksittäisten siipien korkeus oli 80 mm ja leveys 60 mm. Laitteen kehien kierrosluku oli 50 1/s. Dispergointi-laitteen uusiutuva pinta-ala (kierrosluku x siipien fyysinen pinta-ala) oli 7,68 m2/s.

Titaanioksidipigmenttilietteen syöttönopeus oli 30 m3/h.

Edellä esitetyistä tiedoista voidaan kehien siivillä olevan filmin paksuuden laskea olevan keskimäärin 1,08 mm, jolloin päädyttäisiin käyttösisältöön 8,3 litraa/s, joka on sama kuin syöttö. Näin ei kuitenkaan ole, sillä havainnot koeajoista osoittavat, että syötön lakkaamishetkellä laitteesta tulee olennaisen pieni osa massaa, joka todistaa, että viipymäaika laitteessa on vain luokkaa 0,1 s tai alle.

Edellä olevan havainnon mukaan saadaan filmin paksuudeksi enintään 0,1 mm. Tämä tarkoittaa sitä, että monta pigmentti-hiukkasta ei voi olla päällekkäin z-akselin suunnassa sanotusta pyörivän roottorin sekoitustasosta, tasoa kohtisuoraan liikutettaessa.

Muodostettaessa edellä kuvatuissa olosuhteissa 70 % titaanidioksidin ja veden suspensiota (ilman dispergointiainetta), saatiin aikaan ohuen piimän tavoin juokseva homogeeninen neste. On huomattava, että pigmentti syötettiin kuivana yht'aikaa veden kanssa laitteen nieluun.

Kun vertailukokeessa vastaava tehtävä suoritettiin tavanomaisella nopeasti pyörivällä lautas-sekoittimella, eli dissolveri-sekoittimella, saatiin aikaan suuri-viskositeet-tinen kokkareinen puuro, joka ei ollut itsestään juoksevaa.

Keksintömme mukaisesti korkeita kuiva-ainepitoisuuksia on saatu aikaan, kun syötön määrää on rajoitettu niin, että 8 91602 syöttömäärä mVs, suhteessa uusiutuvaan roottorinsiipien pinta-alaan m2/s on edullisesti alle 1/900 m.

Esimerkin mukaisessa järjestelyssä käytettiin tehoa kaikkiaan 2 x 110 kWh, mikä merkitsee 2,4 kWh/tonni suspensiota, joka on hyvin alhainen ominaistehonkulutus.

Vaikka keksintömme mukaan voidaankin saada aikaan suoraan kuivasyötöllä ja vettä yhdistämällä käyttökelpoisia dispersioita esim. paperin päällystyspastaksi tai vastaaviin tarkoituksiin, on edullista joissakin tapauksissa punnitus- ja annostelutarkkuuksien vuoksi esisekoittaa sanotut komponentit ja lisäkemikaalit kahdessa tai useammassa esisekoitti-messa, joista kustakin vuorollaan syötetään tähän roottori-sekoittimeen massaa niin, että tämä tehosekoitin voi työskennellä jatkuvatoimisesti.

Claims (9)

9 91602

1. Menetelmä pigmenttien tai sentapaisten hienojakoisten aineiden jatkuvaksi dispergoimiseksi nestemäiseen väliaineeseen, tunnettu siitä, että - hienojakoinen aine väliaineineen saatetaan keskipakovoiman avulla virtaamaan ohuena kalvona kiihtyvässä liikkeessä liikuteltavien sekoituspintojen yli ja - kalvoon kohdistetaan suurehkoja leikkausvoimia liikuttamalla sekoituspintoja vastakkaisiin suuntiin jolloin hienojakoinen aine dispergoituu väliaineeseen kalvoon kohdistuvan jatkuvan venytysliikkeen vaikutuksesta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jonka menetelmän mukaan - dispergointilaitteena käytetään sekoitinta, jossa on ainakin kaksi samankeskistä pyöritettävää kehää (5, 6), jotka on varustettu oleellisesti levymäisillä törmäys-pinnoilla (7) ja joista ainakin yksi (5) on sovitettu pyörimään vastakkaiseen suuntaan toiseen kehään (6) (toisiin kehiin) nähden, jolloin kehät muodostavat dispergointivyöhykkeen, ja - väliaine ja hiukkaset syötetään ainakin oleellisesti samanaikaisesti dispergointilaitteen dispergointivyö-hykkeeseen (5, 6) tunnettu siitä, että - dispergointivyöhykkeeseen (5, 6) johdettavan aineen tilavuusvirtaus säädetään sekoitusvyöhykkeen uusiutuvan pinta-alan mukaan siten, että tilavuusvirtauksen ja uusiutuvan pinta-alan välinen suhde on korkeintaan 1:500.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että mainittu suhde säädetään edullisesti korkeintaan arvoon noin 1:900.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että väliaine ja hiukkaset syötetään dispergoin-tivyöhykkeeseen suspension muodossa. 10 91 602

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että hiukkaset suspendoidaan väliaineeseen esisekoittimessa.

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että käytetään dispergointilaitetta, jonka dispergointivyöhykkeen (5, 6) törmäyspinnat (7) ovat kehien säteiden suuntaiset.

7. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että käytetään dispergointilaitetta, jonka dispergointivyöhykkeen (5, 6) törmäyspinnat (7) on kallistettu pyörimissuunnassa eteenpäin enintään 60 astetta.

8. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että käytetään dispergointilaitetta, jonka dispergointivyöhykkeen (5, 6) törmäyspinnat (7) on kallistettu pyörimissuunnassa taaksepäin enintään 60 astetta. • * II 11

9 Ί 6 ϋ 2