1.6. Способы диспергирования
При механическом измельчении, в частности при получении пигментов дисперсионным методом, трудно получить частицы коллоидной дисперсносности. Различают три вида измельчения: грубое (r»10-3м), среднее (r»10-4м) и тонкое (r<10-5м). Специальное оборудование, применяемое для сверхтонкого диспергирования, такое как струйные аппараты или коллоидные мельницы, позволяет получить частицы радиусом (r) до 10-6 м и даже менее. Для предотвращения слипания частиц после их образования диспергирование проводят в присутствии дезагрегирующих добавок - ПАВ или воды.
Спекшиеся гранулы, обычно радиусом 5-10 мм, размалывают на роликовых мельницах до получения полупродукта, радиус частиц которого составляет 10-5м. Затем полупродукт промывают деионизированной водой и в виде пульпы направляют на шаровую мельницу, где проводят мокрый размол. Для предотвращения коагуляции при размоле в шаровые мельницы добавляют силикат натрия и едкий натр. Футеровку и шары в мельнице делают из прочного керамического материала. Измельченный пигмент [например, оксид титана (IV)] направляют на классифицирующие центрифуги, где проводят отделение крупных частиц (r>10-6м), которые возвращают на повторную обработку. Частицы, имеющие r<10-6 м, поступают в смеситель, где находится щелочной раствор силиката натрия и сульфата алюминия.
Сульфат алюминия гидролизуется до гидроксида алюминия, который осаждается вместе с гидроксидом кремния на частицах оксида титана (IV) и формирует заряд на поверхности глобул, в результате чего предотвращается коагуляция и агрегация частиц. После фильтрации и промывки от негидролизованных солей пасту гранулируют и сушат. При сушке частички слипаются, поэтому после сушки рыхлые комки пигмента разбивают (распушают) на ударных (молотковых) мельницах. Полученный порошок подают в струйные мельницы для тонкого помола, где формируются частицы радиусом до 10-6м. При тонком помоле частицы могут вновь агрегировать, поэтому эти вторичные агрегаты разрушают в присутствии ПАВ на центробежных мельницах - дезинтеграторах.
Для того, чтобы представить всю сложность получения коллоидной системы методом диспергирования, ниже приведена наиболее распространенная схема получения тонкодисперсного пигмента, рис. 2.3.
Из приведенной схемы получения коллоидно-дисперсных частиц становится очевидным, что механический способ диспергирования характеризуется низким коэффициентом полезного действия. Поэтому проводятся работы по созданию новых способов диспергирования, например, с помощью ультразвука, лазерных генераторов и т.д.
Спекшиеся гранулы после сушки | |||||||||||||||||||||||
ß | |||||||||||||||||||||||
Грубый размол в роликовых мельницах | |||||||||||||||||||||||
ß | |||||||||||||||||||||||
Промывка деионизированной водой | |||||||||||||||||||||||
ß | |||||||||||||||||||||||
Непрерывный мокрый размол | Ü | NaOH | |||||||||||||||||||||
в трубчатой шаровой мельнице | +Na2SiO3 | ||||||||||||||||||||||
Частицы более 10-6м | Ý | ß | |||||||||||||||||||||
Классифицирующие центрифуги | |||||||||||||||||||||||
ß | |||||||||||||||||||||||
Солевая обработка икоагуляция | Ü | NaOH+Al2(SO4)3·18H2O +Na2SiO3 | |||||||||||||||||||||
ß | |||||||||||||||||||||||
Промывка и фильтрация | |||||||||||||||||||||||
ß | |||||||||||||||||||||||
Cушка | |||||||||||||||||||||||
ß | |||||||||||||||||||||||
Размол в молотковых мельницах | |||||||||||||||||||||||
ß | |||||||||||||||||||||||
Тонкий размол в паровых струйных мельницах | |||||||||||||||||||||||
ß | |||||||||||||||||||||||
Размол в дезинтеграторах | Ü | ПАВ | |||||||||||||||||||||
ß | |||||||||||||||||||||||
На упаковку | |||||||||||||||||||||||
Рис. 2.3. Схема диспергационного получения пигментов
Диспергированию способствует наличие микродефектов в структуре твердого тела.
Прочность реального тела P0, имеющего дефекты (трещины) длиной l и удельную свободную поверхностную энергию s, описывается уравнением Гриффитса
, (2.1.50)
где e - модуль упругости Юнга.
Для твердых тел с адсорбированным модификатором поверхности, способным снижать прочность структуры тела при адсорбции, уравнение Гриффитса имеет вид
, (2.1.51)
где DР= Р0 – РА; Р0 , РА – прочность сухого тела и прочность с адсорбированным веществом; Ds - уменьшение удельной поверхностной энергии при адсорбции понизителя прочности.
Уравнение (2.1.51) показывает, что удельное снижение прочности линейно зависит от снижения поверхностного натяжения твердого тела при адсорбции модификатора поверхности. В этой связи размол пигментов часто проводят при добавлении некоторого количества воды или диспергируют их в водной среде в присутствии ПАВ.
Самопроизвольное диспергирование возможно при снижении поверхностного натяжения твердого тела в результате введения достаточного количества ПАВ или повышения температуры так, что поверхностное натяжение s достигнет некоторого критического значения
, (2.1.52)
где g - коэффициент формы частиц, при комнатной температуре равный примерно 28; k- постоянная Больцмана, а- линейный размер частиц. При комнатной температуре для частиц с а» 10-8м sкрит составляет 10-1-10-2 мДж/м2. Для сравнения отметим, что поверхностное натяжение воды при комнатной температуре равно » 70 мДж/м2.
Критериальное уравнение (2.1.52) было выведено Ребиндером и Щукиным.
Самопроизвольное диспергирование в жидкой среде возможно, если структура твердого тела мозаична и нарушение прочности происходит по границам этих элементов структуры - дефектам кристаллов. Такое самопроизвольное диспергирование возможно даже без механического воздействия, только под действием внутренних напряжений, если снижать межфазовую удельную свободную энергию при введении специальных ПАВ - понизителей прочности твердого тела. Снижение прочности твердых тел при введении ПАВ носит название «адсорбционного понижения прочности» или «эффекта Ребиндера» (1928 г.).
Механизм этого эффекта на молекулярном уровне состоит в том, что молекулы поверхностно-активного вещества проникают в микродефекты, формируют на поверхности твердого тела мономолекулярные пленки и понижают межфазовое натяжение, тем самым уменьшая механическую работу, которую необходимо совершить для диспергирования. Кроме того, адсорбция в микротрещинах приводит к локальному повышению концентрации и к осмосу растворителя в эти микротрещины (и дальнейшему расширению дефектов).
Очевидно, что ПАВ, уменьшающие удельную свободную энергию на границе раздела фаз, способны как уменьшать работу, необходимую для диспергирования твердого тела, так и снижать работу образования твердой фазы при конденсированном получении дисперсных систем. Именно поэтому формование химических волокон проводят из растворов в осадительную ванну, которая содержит ПАВ.