白炭黑分散细化中剪切技术的应用

１ 剪 切 机 理 分 析
液态物料分散 系 中分散相 颗粒或 液滴破 碎 的直接原 因是受 到剪 切力 和压力 的作用 。引起剪切力 和压力作用 的具体 流体力 学效应 主要 有层流效 应 、 湍流效应 和空穴效应 … 。层流效应会 引起分散相颗 粒或 液滴 的剪切 和拉 长变形 ； 湍流效应 是在压力波动作用下 引起分散相颗粒或 液滴 的随 意变形 和破裂 ； 空穴效应使形成 的小气 泡 瞬 间破碎 产 生无 数 细微 冲击 波 ，
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３ ２
无 机硅 化 舍物 （ｎ ｒ Ｓ ￣ ｎＣ ｍ ｏｎ ）０ ６年 第 ２期 （ 第 １５期 ） １ｏｇ ｄ ｏ ｏ ｐｕ ｄ ２ ０ 总 ３
．
高剪切能 ， 最终达 到了分散细化 的效果 。此 时颗粒获得 的平 均剪切率 为 ］ ：
＝
叮 ＝ ． Ｕ
（＋） 一 ＿
＝
ｃ ３ ）
（） ４
式 中 ｒ、 为 主界 面曲率半径 。液滴为球 状 （ ｒ ２ 球径为 ｄ 时 ，３ 式简化为 ： ） （）
４ ／ ￣ｄ
１２ １ 层 流状 态下 液滴的破裂 ．．
流体在层 流状态 下 ， 分散相 液滴 的变 形 和破裂 情况 可 用 剪 切 应力 Ｔ 由设 备 （
Ｏ ０６￣ 。 （ （） ｒ 。 １４ ’・ Ｋ１ ¨ 。 ）
（） １
式中， ｕ为流体的运动粘度（ ／） Ｋ为取决于转子齿深和转速的系数 ， 为转 ｍｓ， ０ ３ 子角频率（ａ／ ）ｒ ｒ ｓ ，为剪切半径（ ，ｏ ｒ Ｒ 。 ｄ ｍ）Ｒ ＜ ＜ 参 照数学理论 分析方法 ， 根据流体动 力学 Ｎ ｖ ｒ－ｔ ｅ 方 程 ， 到颗粒破 ａｉ －Ｓ ｋｓ ｅ－ ｏ ）得 碎的临界剪切率 为 ：
ｏ ８ 等 ． ｏ７ １５
粒处于超高剪切的流场中时 ， 剪切速率大于临界剪切率时 ， 颗粒破碎。
１２ 液滴破裂机 理 ．
（ ２ ）
式 中 ， 。为聚集体 （ ｏｇｒ ｓ半径 （ ， 为流 体 的运 动粘 度 （ ｓ 。当颗 Ｒ。 Ｃ ｎｅｅ） ｉ ｍ）１ Ｊ ｍ／ ）

在沉淀 白炭 黑浆料 中 ， 存在大量的液一 液混合 相 。若要 使 其 中的混合相 液滴 分裂 ， 必须 向液滴 表面提供外来能量 ， 如张力 。在此 能量作 用下 ， 液滴 先是发 生变
的剪切间隙产生） 和表面张力 叮之间的函数关 系式表述 ， 这种关系 Ｔｙ ｒ ａｌ 定义为 ｏ 被修正 的韦伯 准数 ０ ｌ。 ３ ４ 。 Ｊ ．
（） ５
液滴分裂与否 取决 于临界变形值 ， 即临界韦伯 准数 ０ 。 ３
＝ ㈤
对于给定 的界面 张力 ｕ和剪切应力 ｔ临界 韦 伯数 是层 流场 中未 被 分裂 的最大 液 ， 滴尺寸 ｄ 的 函数 。由此得到 ： 当 ０ ＞ 时， ３ ０ 。 ３ 液滴破裂 ； 当 ０ ≤０ 时 ， ３ ３ 。 液滴仅发生变形 。
集体 ， 由各 孤 立颗 粒 的 比表面 能作 用 而 是 形成 ， 其破碎取决 于聚集体 的总变形 ， 总变形超 过临界 变形率时 ， 一旦 颗粒破碎 。 超高速剪切 均质的关键 原理是一 对相互 交错 “ 合” 配 的定 、 子 ， 转 由转 子的超
图 １ 剪 切 原 理
高速旋转 ， 物料从底部被吸人定ｒ 、 转子之间狭窄的剪切“ 工作带” 由于物料得到超 ，
引起液相 的剧烈紊动 。剪切原理见 图 １ 。
１ １ 分散相颗粒 剪切 机理 ．
出料 出料
沉 淀 白炭 黑浆 料 中 ， 散相 颗粒 的存 分
在形式 有 ２种 ： 种是 孤立 的颗粒 子 ， 一 这种
定
工 作 带
颗粒子在 流 场 中随 流体 轨迹 运 动 ， 只进行 了混合 ， 不存在分 散细化 ； 另一种 为颗粒 聚
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邓晓明， 王习魁等 ： 白炭黑分散 细化 中剪切技术的应用
３ １
白炭 黑 分散 细 化 中 剪切 技术 的应 用
邓 晓 明 ． 习魁 ， 王 张裕 中
（ 江南 大学 。 无锡 ２４ ６ ） １０ ３
摘
要 ： 了利用 最新 的剪切技术在 沉淀 白炭黑 分散 细化工艺过程 中的原理 和方法 ， 介绍 通过
响应面实验对沉淀 白炭黑进行了分散细化实 验研究 ， 验表 明剪切技术 对易团聚 、 实 难分散 的液态
物料效果最佳 。
关键词 ： 切 ； 白炭黑 ； 剪 沉淀 分散细化
沉淀法 白炭黑又称沉 淀水 合二 氧化硅 （ｉ： ｎ ） 或活性二 氧 化硅 ， ＳＯ ・ Ｈ ０ ， 是一 种经硅酸盐与无机酸沉 淀反 应所 获得 的高 比表 面积 、 高结 构 、 活性 的补 强填充 高 改性材料 。它 的高 比表面积具有很 大的表 面能 反使其极易 团聚形成 聚集体 ， 削弱 了补强性能。传统的搅拌式打浆法能耗大 、 操作周期长、 分散效果差 ， 成品中仍然 有“ 白点” 聚集 体平均粒径有 ３ ’６ ｍ， ， ０～ ０ 严重 影响其质量性能 。 为全面提高二 氧化硅 的分散性 ， 其平均粒径 达到 ２ ５ ｍ， 使 ～ 引人最新的剪切 技术对沉淀 白炭黑 的分散细化工 艺进 行应用 研究 ， 以剪 切机理 作 为理 论依据 ， 并 以响应面实验证 明了剪切技术对提 高二 氧化硅 的分散性起到关键性 的作用。
１２２ 湍 流 状 态下 液 滴 的破 裂 ．．
湍流 中 ， 液滴 受控 于作用在其表面不 断 变化 的流动速 度和 由此 产生 的脉动 压
形， 当变形应力 局部超过使液滴具有维 持原 状趋 向 的界 面张力 时 ， 液滴立 即破裂 。 变形应力不 同于 垂 直 张力 和切 向张力 ， 因为 后 者 只能 使液 滴 发 生 有 限 的塑性 变 形 。液滴难 于分裂 的原 因在于存在界面张力 ｕ 。界 面张力 ｖ和表面 张力 叮之间 的 关系可 由拉普 拉斯一杨格式表述 。