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Jul 07, 2023

Stratégies de mélange pour High

24 janvier 2019 Lorsque des solides sont dispersés ou dissous dans un liquide, la

24 janvier 2019

Lorsque les solides sont dispersés ou dissous dans un liquide, les quantités relatives de chaque phase sont nécessairement des facteurs clés dans le choix du mélangeur. En réalité, la viscosité est un paramètre encore plus important. Aux fins de notre discussion dans cet article, définissons le pourcentage de solides comme le rapport de la masse solide présente dans une formulation, les «solides» se rapportant aux matériaux non volatils ou aux composants inorganiques du mélange.

Bien que le terme "haute teneur en solides" soit couramment utilisé sur différents marchés, notamment les adhésifs, les mastics, les peintures et les revêtements, il n'existe aucune norme définissant la teneur minimale ou moyenne en solides des formulations à haute teneur en solides en général.

Pourcentage de solides par rapport à la viscosité Selon la chimie des matières premières, les compositions à haute teneur en solides prennent une large gamme de viscosités. Par exemple, des solvants avec un bon pouvoir solvant et des polymères de faible poids moléculaire sont utilisés pour obtenir une faible viscosité et un écoulement acceptable dans les revêtements à haute teneur en solides pulvérisables. Même certains adhésifs thermofusibles à 100 % de solides ont une viscosité presque semblable à celle de l'eau pendant le traitement aux températures appropriées. Inversement, une formulation de gel ne contenant que 5 % de solides peut ne pas être coulable et se comporter comme un semi-solide.

Par conséquent, la sélection du mélangeur est généralement dictée par la viscosité plutôt que par le pourcentage de solides. La viscosité de départ du solvant ou de la base liquide, la viscosité maximale atteinte par le mélange pendant le traitement et la viscosité finale du produit final (si différente de la viscosité maximale) sont toutes des considérations essentielles qui doivent être partagées avec le fabricant de votre mélangeur.

Mélangeurs à arbre unique Les mélangeurs conventionnels à arbre unique tels que les hélices et les turbines peuvent être capables de préparer des formulations à haute teneur en solides dans la plage de faible viscosité. Ce sont des machines économiques adaptées aux solides qui s'incorporent facilement dans le liquide avec seulement une agitation ou une agitation douce. Cependant, pour les solides qui résistent au mouillage, par exemple les poudres hydrophobes ajoutées à l'eau, les agitateurs à basse vitesse deviennent très inefficaces. Pour accélérer la dispersion ou la dissolution de ces solides, des dispositifs à énergie plus élevée tels que des disperseurs en dents de scie et des mélangeurs à rotor/stator permettent des délais de production plus courts.

Fonctionnant à des vitesses de pointe d'environ 5 000 pieds/min, un disperseur en forme de disque en dents de scie correctement conçu crée un flux vigoureux dans le récipient de mélange. Il génère un vortex dans lequel des solides peuvent être ajoutés pour une incorporation rapide dans le lot. Les dispersants sont généralement utilisés dans des applications jusqu'à environ 50 000 cP de viscosité.

En comparaison, un mélangeur rotor/stator comporte généralement un rotor à quatre pales fonctionnant à des vitesses de pointe comprises entre 3 000 et 4 000 pieds/min dans un stator fixe à tolérance étroite. Ce type de dispositif crée un cisaillement mécanique et hydraulique en aspirant en continu du produit dans le rotor et en l'expulsant radialement à travers les ouvertures du stator. En raison de la restriction fournie par le stator, ce mélangeur offre un cisaillement plus élevé mais une capacité de pompage inférieure à celle d'une lame de dispersion en dents de scie à disque ouvert. Pour la même raison, sa limite de viscosité est inférieure – autour de 10 000 à 20 000 cP. Le mélangeur rotor/stator est disponible en versions batch et en ligne.Systèmes d'induction de poudreLorsque de grandes quantités de poudres doivent être ajoutées en vrac, ou lorsque les solides difficiles à disperser mettent trop de temps à se mouiller complètement, même avec une lame à grande vitesse, un mélangeur avec capacité d'injection de poudre intégrée vaut la peine d'être envisagé.

Dans les systèmes d'injection de poudre antérieurs, une pompe propulsait le flux de liquide dans un éjecteur, créant un vide. Les poudres alimentées par un tube aérien seraient aspirées par ce vide dans l'éjecteur où elles rejoindraient le flux de liquide. Le "pré-mélange" résultant est passé à un mélangeur à rotor/stator qui a ensuite appliqué une action de cisaillement et de mélange, brisant les agglomérats et transportant le mélange en aval. À son époque, ce système offrait un outil utile pour l'induction de poudre. Le système en ligne a éliminé le problème des solides flottants des systèmes discontinus et il a offert un contrôle plus précis du processus de mélange. Mais cette configuration présentait également de sérieuses limites. Avec trois appareils distincts en série, la maintenance - en termes de main-d'œuvre, d'expertise requise et de pièces de rechange - était intensive. Équilibrer les performances de la pompe, de l'éducateur et du mélangeur était souvent difficile et, dans de nombreuses applications, les temps d'arrêt étaient assez élevés.

Les mélangeurs rotor/stator en ligne d'aujourd'hui avec capacité d'injection de poudre intégrée sont plus conviviaux pour l'opérateur et nécessitent peu d'entretien. Ces mélangeurs à haut cisaillement de nouvelle génération ne nécessitent plus l'utilisation de pompes centrifuges ou d'éjecteurs pour créer l'aspiration pour l'injection de poudre. Les niveaux de cisaillement sont comparables à ceux d'un rotor/stator standard, mais la capacité du mélangeur à combiner les solides et les liquides directement dans la région où le mélange intense a lieu a un impact significatif sur la qualité de la dispersion. De plus, cela élimine le besoin d'ajouter des poudres directement dans le réservoir, ce qui pourrait poser un problème de dépoussiérage et de sécurité. La manutention des matériaux est simplifiée car le mélangeur en ligne est installé au niveau du sol et les poudres sont ajoutées à une hauteur plus pratique juste au-dessus du mélangeur. Les opérateurs n'ont plus besoin de grimper sur des mezzanines en transportant de lourds sacs de poudre. Les exemples d'applications incluent les boues d'hydroxyde de magnésium jusqu'à 65 % de charge et les dispersions de pigments de dioxyde de titane contenant 70 % de solides.

Voir Figure 1. Fonctionnement d'un mélangeur à induction de poudre : le flux de liquide (bleu) pénètre dans le mélangeur et rencontre immédiatement l'ajout de poudre. Aspirées par un puissant vide, des poudres fluides (jaunes) sont injectées dans le liquide et mélangées instantanément sous fort cisaillement. La dispersion résultante (verte) est expulsée par centrifugation à travers les ouvertures du stator à grande vitesse.

Mélangeurs multi-arbres Les produits qui subissent des changements de viscosité atteignant bien plus de 50 000 cP sont généralement mis en lots dans des mélangeurs à plusieurs arbres. Les configurations les plus courantes comprennent des disperseurs et des rotors/stators utilisés en combinaison avec un agitateur à ancre à basse vitesse. L'agitateur d'ancre aide à échanger des matériaux provenant de différentes parties du navire, «alimentant» essentiellement les dispositifs à grande vitesse avec un produit qui, autrement, ne s'écoulerait pas vers lui. Les ailes de l'agitateur à ancre comprennent également normalement des racleurs réglables pour essuyer le fond et les parois latérales de la cuve. Cela garantit un contrôle plus strict de la température en plus d'une meilleure rotation des produits.

Outre la capacité étendue des mélangeurs à plusieurs arbres du point de vue de la viscosité, un autre avantage de conception est qu'il s'agit de systèmes fermés qui offrent l'avantage du mélange sous vide. Lorsqu'elles sont traitées sous vide, certaines formulations développent de meilleures propriétés en raison d'un cisaillement et d'un contact améliorés des différents composants.

Avec ses agitateurs à entraînement indépendant, un mélangeur à plusieurs arbres est très polyvalent pour le traitement de pâtes et de suspensions très chargées avec un large profil de viscosité du début à la fin du cycle de dosage. Exemples d'applications : lotions solaires ; adhésifs thermofusibles; revêtements à faible teneur en COV ; charges de bois à haute teneur en solides, coulis et composés de calfeutrage.

Voir la figure 2. Configuration du mélangeur à trois arbres comprenant une ancre à trois ailes, un arbre à grande vitesse avec deux pales de dispersion et un rotor à quatre pales dans une tête de stator à fentes.

Mélangeurs planétaires Au fur et à mesure que la viscosité augmente de plus en plus, approchant les 500 000 cP environ, selon le comportement glissant ou collant du produit, le roulement dans un mélangeur à plusieurs arbres finira par souffrir et affectera l'efficacité du mélange. Si les moteurs ne surchargent pas, une surchauffe localisée peut se produire autour de la lame de dispersion à grande vitesse, ou l'agitateur d'ancre commencera à se frayer un chemin à travers le lot visqueux. La solution logique consiste à utiliser un ensemble d'agitateurs qui se déplacent dans le lot quel que soit le flux de produit. C'est le point fort des mélangeurs planétaires. Dans un mélangeur planétaire, deux pales ou plus tournent sur leurs propres axes lorsqu'elles orbitent autour d'un axe commun. Les mélangeurs planétaires doubles modernes équipés d'une lame hélicoïdale peuvent désormais gérer des viscosités aussi élevées que 6 millions de cP ou plus. Il existe également des mélangeurs planétaires hybrides constitués d'un agitateur planétaire et d'une lame de dispersion à grande vitesse qui tournent sur leurs propres axes tout en orbitant le navire. Comme les deux agitateurs avancent constamment dans le lot et le produit frais, toute accumulation de chaleur est uniformément répartie. Les solides sont rapidement incorporés dans une base liquide visqueuse et les agglomérats tenaces sont dispersés alors même que le lot est devenu à peine « fluide ». Les niveaux de cisaillement et les schémas d'écoulement sont facilement affinés car les agitateurs sont contrôlés individuellement. Les exemples d'applications incluent les composites dentaires, les encres à film épais, les dispersions de pigments dans la cire, les mastics silicones hautement chargés et les solutions polymères.

Voir la figure 3. Un mélangeur planétaire hybride équipé d'un disperseur à grande vitesse et d'un agitateur planétaire hélicoïdal. Après le mélange, la cuve est renversée jusqu'au poste de déchargement. Un plateau est abaissé hydrauliquement dans le récipient, forçant le produit à sortir et dans des seaux positionnés sous la plate-forme surélevée.

Mélangeurs à lame Sigma Les matériaux extrêmement visqueux sont traités dans des pétrins, également appelés mélangeurs à pales sigma à double bras. Ce sont des mélangeurs horizontaux composés de deux pales en forme de z qui tournent l'une vers l'autre à des vitesses différentielles. Les lames passent les parois de l'auge et l'une l'autre à des dégagements serrés, fournissant une action de cisaillement et de déchirure sur le produit. L'auge du mélangeur est ensuite inclinée pour décharger le produit fini. Les extrudeuses-malaxeurs combinent l'efficacité d'un mélangeur à pales sigma à double bras conventionnel avec la commodité d'une vis d'extrusion pour décharger des matériaux lourds et visqueux. La vis de décharge est située dans une cavité séparée juste en dessous des lames en Z et aide à alimenter le matériau de charge dans les lames de mélange. Lorsque le cycle de mélange/malaxage est terminé, la rotation de la vis est inversée pour extruder le produit à travers une ouverture de décharge ou une filière. Les exemples d'applications incluent les matériaux de joints haute température, les mélanges de mortier, les mastics d'étanchéité, les composés de caoutchouc et les mélanges maîtres.

Christine Banaszek est directrice des ventes chez Charles Ross & Son Co. (Hauppauge, NY), fabricant d'équipements de mélange et de mélange spécialisés. Pour plus d'informations, visitez www.mixers.com.

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