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May 23, 2023

Estrategias de mezcla para alta

24 de enero de 2019 Cuando los sólidos se dispersan o disuelven en líquido, el relativo

24 de enero de 2019

Cuando los sólidos se dispersan o disuelven en líquido, las cantidades relativas de cada fase son necesariamente factores clave en la selección del mezclador. En realidad, la viscosidad es un parámetro aún más importante. Para el propósito de nuestra discusión en este artículo, definamos el porcentaje de sólidos como la proporción de masa sólida presente en una formulación, con "sólidos" pertenecientes a los materiales no volátiles o los componentes inorgánicos de la mezcla.

Si bien el término "alto contenido de sólidos" se usa comúnmente en diferentes mercados, incluidos adhesivos, selladores, pinturas y recubrimientos, no existen estándares que definan el contenido mínimo o promedio de sólidos de las formulaciones con alto contenido de sólidos en general.

Porcentaje de sólidos frente a viscosidad Dependiendo de la química de las materias primas, las composiciones con alto contenido de sólidos adoptan una amplia gama de viscosidades. Por ejemplo, se utilizan disolventes con buena solvencia y polímeros de bajo peso molecular para obtener una baja viscosidad y un flujo aceptable en recubrimientos pulverizables con alto contenido de sólidos. Incluso algunos adhesivos termofusibles 100% sólidos tienen una viscosidad casi similar al agua durante el procesamiento a las temperaturas adecuadas. Por el contrario, una formulación de gel que contiene solo un 5 % de sólidos puede no ser vertible y comportarse como un semisólido.

Por lo tanto, la selección del mezclador generalmente está dictada por la viscosidad en lugar del porcentaje de sólidos. La viscosidad inicial del solvente o la base líquida, la viscosidad máxima alcanzada por la mezcla durante el procesamiento y la viscosidad final del producto final (si es diferente de la viscosidad máxima) son consideraciones vitales que deben compartirse con el fabricante de su mezclador.

Mezcladores de un solo eje Los mezcladores convencionales de un solo eje, tales como hélices y turbinas, pueden ser capaces de preparar formulaciones con alto contenido de sólidos en el rango de baja viscosidad. Estas son máquinas económicas adecuadas para sólidos que se incorporan fácilmente a líquidos con solo agitación suave o acción de agitación. Sin embargo, para los sólidos que resisten la humectación, por ejemplo, los polvos hidrofóbicos agregados al agua, los agitadores de baja velocidad se vuelven muy ineficientes. Para acelerar la dispersión o disolución de dichos sólidos, los dispositivos de mayor energía, como los dispersores de dientes de sierra y los mezcladores de rotor/estator, permiten tiempos de entrega más cortos.

Funcionando a velocidades máximas de alrededor de 5000 pies/min, un dispersor estilo disco de dientes de sierra diseñado correctamente crea un flujo vigoroso dentro del recipiente de mezcla. Genera un vórtice en el que se pueden agregar sólidos para una rápida incorporación al lote. Los dispersores se utilizan normalmente en aplicaciones de hasta alrededor de 50 000 cP de viscosidad.

En comparación, un mezclador de rotor/estator generalmente presenta un rotor de cuatro palas que funciona a velocidades máximas en el rango de 3000-4000 pies/min dentro de un estator fijo de tolerancia estrecha. Este tipo de dispositivo crea cizallamiento mecánico e hidráulico al atraer continuamente el producto hacia el rotor y expulsarlo radialmente a través de las aberturas del estator. Debido a la restricción proporcionada por el estator, este mezclador ofrece mayor cizallamiento pero menos capacidad de bombeo que un dispersor de disco abierto con dientes de sierra. Por la misma razón, su límite de viscosidad es más bajo, alrededor de 10.000 a 20.000 cP. El mezclador de rotor/estator está disponible en diseños por lotes y en línea.Sistemas de inducción de polvoCuando es necesario agregar grandes cantidades de polvos a granel, o cuando los sólidos difíciles de dispersar tardan demasiado en humedecerse por completo, incluso con una cuchilla de alta velocidad, vale la pena considerar un mezclador con capacidad de inyección de polvo incorporada.

En los primeros sistemas de inyección de polvo, una bomba impulsaría la corriente de líquido hacia un eductor, creando un vacío. Los polvos alimentados a través de un tubo elevado serían atraídos por este vacío hacia el eductor donde se uniría al flujo de líquido. La 'premezcla' resultante pasó a un mezclador de rotor/estator que luego aplicó acción de corte y mezclado, descomponiendo los aglomerados y transportando la mezcla corriente abajo. En su día, este sistema ofreció una herramienta útil para la inducción de polvo. El sistema en línea eliminó el problema de los sólidos flotantes de los sistemas por lotes y ofreció un control más preciso sobre el proceso de mezclado. Pero esta configuración también presentaba algunas limitaciones serias. Con tres dispositivos separados en serie, el mantenimiento, en términos de mano de obra, experiencia requerida y repuestos, fue intensivo. A menudo era difícil equilibrar el rendimiento de la bomba, el educador y el mezclador y, en muchas aplicaciones, el tiempo de inactividad era bastante alto.

Los mezcladores de rotor/estator en línea de hoy en día con capacidad de inyección de polvo integral son más fáciles de usar y tienen un diseño de bajo mantenimiento. Estos mezcladores de alto cizallamiento de nueva generación ya no requieren el uso de bombas centrífugas o eductores para crear la succión para la inyección de polvo. Los niveles de cizallamiento son comparables a los de un rotor/estator estándar, pero la capacidad del mezclador para combinar sólidos y líquidos justo en la región donde se produce la mezcla intensa tiene un impacto significativo en la calidad de la dispersión. Además, elimina la necesidad de agregar polvos directamente al tanque, lo que podría ser un problema de seguridad y limpieza. El manejo de materiales se simplifica porque el mezclador en línea se instala al nivel del piso y los polvos se agregan a una altura más práctica justo encima del mezclador. Los operadores ya no deben subir a los entrepisos cargando pesados ​​sacos de pólvora. Las aplicaciones de muestra incluyen lechadas de hidróxido de magnesio con una carga de hasta el 65 % y dispersiones de pigmentos de dióxido de titanio que contienen un 70 % de sólidos.

Consulte la Figura 1. Cómo funciona un mezclador de inducción de polvo: la corriente de líquido (azul) ingresa al mezclador e inmediatamente se encuentra con la adición de polvo. Atraídos por un potente vacío, los polvos de flujo libre (amarillos) se inyectan en el líquido y se mezclan instantáneamente bajo un alto cizallamiento. La dispersión resultante (verde) se expulsa centrífugamente a través de las aberturas del estator a alta velocidad.

Mezcladores de Ejes Múltiples Los productos que experimentan cambios de viscosidad que alcanzan un pico de más de 50 000 cP generalmente se dosifican en mezcladores de ejes múltiples. Las configuraciones más comunes incluyen dispersores y rotores/estatores usados ​​en combinación con un agitador de ancla de baja velocidad. El agitador de ancla ayuda a intercambiar materiales de diferentes partes del buque, esencialmente "alimentando" los dispositivos de alta velocidad con producto que de otro modo no fluiría hacia ellos. Las alas del agitador de ancla normalmente también incluyen raspadores ajustables para limpiar el fondo y las paredes laterales del recipiente. Esto asegura un control de temperatura más estricto además de una mejor rotación del producto.

Además de la capacidad ampliada de los mezcladores de ejes múltiples desde el punto de vista de la viscosidad, otra ventaja del diseño es que son sistemas cerrados que ofrecen el beneficio de la mezcla al vacío. Cuando se procesan al vacío, ciertas formulaciones desarrollan mejores propiedades como resultado de una mejor cizalladura y contacto de los diferentes componentes.

Con sus agitadores de accionamiento independiente, un mezclador de ejes múltiples es muy versátil para procesar pastas y suspensiones con alto contenido de relleno con un amplio perfil de viscosidad desde el principio hasta el final del ciclo de dosificación. Las aplicaciones de muestra incluyen: lociones de protección solar; adhesivos de fusión en caliente; recubrimientos de bajo VOC; rellenos para madera, lechada y compuestos de calafateo con alto contenido de sólidos.

Consulte la Figura 2. Configuración de mezclador de eje triple que consta de un ancla de tres alas, un eje de alta velocidad con dos álabes dispersores y un rotor de cuatro álabes dentro de un cabezal de estator ranurado.

Mezcladores Planetarios A medida que la viscosidad sube más y más, acercándose a 500 000 cP aproximadamente, dependiendo de qué tan resbaladizo o pegajoso se comporte el producto, la rotación dentro de una mezcladora de múltiples ejes eventualmente comenzará a sufrir y afectará la eficiencia de la mezcla. Si los motores no se sobrecargan, puede ocurrir un sobrecalentamiento localizado alrededor de la hoja del dispersor de alta velocidad, o el agitador de anclaje comenzará a abrirse camino a través del lote viscoso. La solución lógica es utilizar un conjunto de agitadores que se mueven a través del lote independientemente del flujo del producto. Este es el fuerte de los mezcladores planetarios. En un mezclador planetario, dos o más aspas giran sobre sus propios ejes mientras orbitan sobre un eje común. Los mezcladores planetarios dobles modernos equipados con paletas helicoidales ahora pueden manejar viscosidades de hasta 6 millones de cP o más. También hay mezcladores planetarios híbridos que consisten en un agitador planetario y una hoja de dispersión de alta velocidad que giran sobre sus propios ejes mientras orbitan el recipiente. Como ambos agitadores avanzan constantemente hacia el lote y el producto fresco, cualquier acumulación de calor se distribuye uniformemente. Los sólidos se incorporan rápidamente a una base líquida viscosa y los aglomerados persistentes se dispersan incluso cuando el lote se ha vuelto apenas "fluible". Los niveles de cizallamiento y los patrones de flujo se ajustan fácilmente porque los agitadores se controlan individualmente. Las aplicaciones de muestra incluyen compuestos dentales, tintas de película gruesa, dispersiones de pigmentos en cera, selladores de silicona de alto relleno y soluciones de polímeros.

Consulte la Figura 3. Un mezclador planetario híbrido equipado con un dispersor de alta velocidad y un agitador planetario helicoidal. Después de mezclar, el recipiente se voltea a la estación de descarga. Una placa se baja hidráulicamente al recipiente, forzando el producto hacia afuera y hacia los cubos colocados debajo de la plataforma elevada.

Mezcladores Sigma Blade Los materiales extremadamente viscosos se procesan en amasadoras, también llamadas mezcladoras de cuchillas sigma de doble brazo. Estos son mezcladores horizontales compuestos por dos palas en forma de z que giran una hacia la otra a velocidades diferenciales. Las cuchillas pasan las paredes de la artesa y entre sí en espacios reducidos, proporcionando una acción de corte y desgarro en el producto. A continuación, se inclina la cubeta de la mezcladora para descargar el producto terminado. Las extrusoras amasadoras combinan la eficiencia de un mezclador convencional de cuchillas sigma de doble brazo con la comodidad de un tornillo de extrusión para descargar materiales pesados ​​y viscosos. El tornillo de descarga está ubicado en una cavidad separada justo debajo de las cuchillas en Z y ayuda a alimentar el material del lote en las cuchillas mezcladoras. Cuando se completa el ciclo de mezclado/amasado, la rotación del tornillo se invierte para extruir el producto a través de una abertura de descarga o troquel. Las aplicaciones de muestra incluyen materiales para juntas de alta temperatura, mezclas de mortero, selladores de masilla, compuestos de caucho y masterbatches.

Christine Banaszek es gerente de ventas en Charles Ross & Son Co. (Hauppauge, NY), fabricante de equipos especiales para mezclar y mezclar. Para obtener más información, visite www.mixers.com.

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