二氧化硅在液体中的应用分散方法

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图 5:分散机齿盘
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图 6:线速度(m/s)对两种不同极性体系的 粘度的影响 根据经验,首先计算在生产中可达到最 大的线速度,并且注意在实验室试验时 不要超过该数值,这将有助于我们避免 随后的放大试验中的问题。
表 1:线速度的计算与盘径和转速(rpm)之 间的关系 批量生产中,分散盘尺寸与容器大小之 间的关系 高剪切分散的关键因素包括分散盘/容 器的比例(见图 7)。分散盘/容器直 径比应该在 1:2 到 1:3 之间。使用这一 比例,能观察到一个强漩涡直达分散 盘。当该比例接近 1:4 的时候,物料总 是粘附在容器壁上,在这种情况下,不 能清楚观察到直至分散盘的漩涡。当分 散盘太小的时候,只能看到传动轴,粉 末的润湿需要更长的时间。分散
详细内容可以咨询设备制造商。
图 9:单转子-定子混合头
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图 10:双转子-定子混合器图示,展示了内部和 外部转动部分和固定的定子。定子和转子的缝隙 形状由制造商控制
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同样,当分散达到最优化时,过程控制 或控制参数的轻微变化对最终产品的品 质稳定性影响很小。当施加到体系的分 散能量不足时,过程的所有变动都会对 最终产品的连续性以及 AEROSIL®气相法 二氧化硅的效率和最终产品的品质稳定 性产生严重的影响。
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图 3:AEROSIL® 200 对不同溶剂的增稠
另外一个重要的考虑因素是要选用亲水 还是疏水型的 AEROSIL®气相法二氧化硅 产品。在前面的讨论中,疏水型 AEROSIL® R 型产品相比于亲水产品通常 是低效的增稠剂。但是,尤其是在个人 护理应用方面,它们具有更好的皮肤触
高强度研磨、砂磨、介质磨和 辊压机的分散能力充分,同时也是被推 荐用来分散高比表面积类型(>300m2/g) AEROSIL®产品,也适用于要求最高的增 稠效率、最佳的长期稳定性、最好的细 度和光泽(涂料、指甲打磨等)的产 品。随着外部的和内在的剪切力的提 高,所有的 AEROSIL®产品的表现都会得 到提高(图 8)。
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1 介绍
亲水型和疏水型 AEROSIL®产品用在许
多液体体系中以控制其粘度、防流挂、 防沉降性和常规工艺。所有这些作用都 归因于被分散在液体体系中 AEROSIL® 气相法二氧化硅颗粒形成氢键的能力。
AEROSIL® 气 相 法 二 氧 化 硅 是 一 种 高 纯 度、非常细的二氧化硅。由于经过高温 的制造工艺,原生的纳米级颗粒并不以 单独的原生颗粒(图 1a)存在,他们 被烧结在一起形成链状的聚集体(图 1b)。
图 11: 连续的转子-定子混合器展示了液体的 添加口(a)和 AEROSIL®气相法二氧化硅的添 加口(b),产品出口(c)。该系统实际上属 于无尘操作
分散时间
分散时间的长短应该保持在一个最小 值,以防止过多的温度累积。长时间的 分散造成的过高温度会导致过低的混合 粘度。在较高温度条件下持续的混合对 多数体系来说都是弊大于利。然而,分 散温度并不会对有些体系造成负面的影 响(图 12)。最佳的分散时间和分散 温度取决于特定的体系、并根据经验为 每一个配方制定。从测试的结果我们可 以看出一旦足够的能量被添加到体系中 (rpm/线速度),分散时间变得就不那 么重要(参看图 13 和图 14,例中用两 种不同类型的不饱和间苯二甲酸聚 酯)。
经过进一步的冷却,聚集体通过氢键作 用和其他的弱的吸引力(例如:范德华 力)作用形成更大尺寸的附聚体(图 1c)。附聚体在分散过程中能够被碎解 为聚集体,但是在通常的分散条件下, 聚集体不能被分散为独立的原生颗粒。 通常,AEROSIL®产品的比表面积越大, 它的附聚度就越大。
AEROSIL®气相法二氧化硅表面带有硅羟 基基团(Si-OH)表现出其特性。这些基 团决定了 AEROSIL®气相法二氧化硅在液 体体系中产生的作用。当气相法二氧化 硅分散到液体之中后,这些硅羟基基团 可以直接或者是通过液体中分子间接地 相互作用。这种归因于氢键作用的吸引 力同时导致可逆的、三维网状结构的形 成,也就是肉眼可见的增稠性。在机械 力的作用下,例如搅拌或者是剪切,这 种结构被破坏,体系更具流动性的同时 粘度下降。一旦重新静置,网状结构重 新形成,体系的粘度恢复到原始值。这 一过程被称之为触变性,相关的图示见 图 2。
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图 8:典型的细度值 VS 对应的分散(线)速 度。左边的刻度表示的是美国单位和 Hegman 细 度,右边的刻度表示公制单位和微米细度
转子-定子系统是另外一种高剪切分散 设备,它适用于分散 AEROSIL®气相法 二氧化硅。这类设备有一个或两个转动 头,对于单分散头设备,线速度的计算 基于内部的转子直径(图 9)。
图 14b:粘度稳定性 VS 聚酯树脂 2 中的分散 要留有足够的时间用于加料准备,如果 在分散过程中要添加多袋 AEROSIL®气 相法二氧化硅,就更是这样。配料准备 包括打开所有袋子以完成加料所必需的 时间。润湿时间是指所有的气相法二氧 化硅被媒质或液体相润湿所需要的时 间。在这一步,低剪切的混合经常被用 到。所有的气相法二氧化硅被润湿之 后,混合速度开始增加,分散开始进 行。用于打开包装和物料润湿的时间可 能决定于操作者。
图 13a:粘度 VS 在聚酯树脂 1 中的分散 图 13b:粘度稳定性 VS 聚酯树脂 1 中的分散
图 12:温度对用 AEROSIL®200 增稠的液体石蜡的粘 度的影响(除温度之外,其他分散条件相同)。
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图 14a:粘度 VS 在聚酯树脂 2 中的分散
运用锯齿形齿盘(分散机,参看图 5)的 高剪切分散(HSD)的剪切作用是分散比 表面积在 50-200g/m2 之间的 AEROSIL®气 相法二氧化硅产品(亲水型和疏水型)的 最低要求。AEROSIL®气相法二氧化硅比表 面积较高的产品(例如:AEROSIL® 300, AEROSIL® 380 , AEROSIL® R812 和 AEROSIL® R812S) 通常需要更高能量强 度的设备来达到分散的最佳状态。HSD 设 备 的 线 速 度 能 高 于 7m/sec (25ft/sec)。在多数的工业应用之中, 为了达到足够的剪切,德固赛公司推荐的 线速度范围在 8-10 m/sec (26-32ft/sec) 之间(图 6)。
图 1 :AEROSIL®气相法二氧化硅示意图
图 2:液体中 AEROSIL®气相法二氧化硅相互作 用图示
疏水型 AEROSIL®(“R”)产品在生产过 程中经过处理而获得一个疏水的表面。 在此过程中,硅羟基基团发生了反应。 同亲水型产品比较,疏水型 AEROSIL®产 品通常表现出低的增稠效率。
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液体的类型是一个重要的考虑因素。通 常,和极性的油/溶剂/树脂相比,在非 极性体系中可以得到更高的粘度。其 中,“极性”一词习惯于用来表示液体 中分子形成氢键的能力。图 3 表明了应 用 AEROSIL® 200 在不同极性溶剂中所能 达到的粘度情况。对水性体系来说, AEROSIL® 气相法二氧化硅通常不是一种 有效的增稠助剂。
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图 7:分散盘/容器尺寸比的重要性。1+2=轴向 物料流动,3+4=径向物料流动
盘应被置于合适的位置,这样能够迫使 物料由容器底部向上达到分散盘的位置 (一般 0.5-1 倍的分散盘径)。最佳的分
散盘放置可以形成 4 个混合区 (见图 7)。
上部的两个混合区向下吸向分 散盘,而下面的两个混合区向 上吸向分散盘。分散盘的锋利 程度和传动带的松紧度需要做 经常的维护,它们同样对分散 的效率和稳定性产生作用。
I. 寻找所需的添加量 II. 应用正确的分散
z 设备和参数设计 z 线速度的考虑 z 剪切时间 z 温度累积 z 添加顺序 z 母料法 VS 直接添加 z 细度读数 VS 分散 z 防止剪切不够或过度 III. 完善配方
2 寻找理想的添加量
在非极性到半极性体系中,亲水型的 AEROSIL® 200,300 和 380 通常被用于流 变性能的改善。在半极性到极性体系 中 , 疏 水 型 的 AEROSIL® R 972,R 974, R 812,R 812S,R 202 和 R 805 也可以 被应用。在许多体系中疏水型产品是不 太有效的流变助剂,但是可以赋予体系 其他的性能例如耐水性、改善流平、更 好的皮肤触觉、较小增加粘度的同时促 进颜料悬浮。
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然而,疏水型产品具有其他的优势,当 不需要过高的粘度时,它们也是一种选 择。疏水型二氧化硅的附聚体很容易被 打碎,从而导致更好的细度读数。疏水 型产品同时还可以提高流动和流平性 能、不提高粘度的同时促进悬浮、更好 的皮肤触觉、维持好的光泽和提供抗水 性以及防腐蚀性能。
为了优化 AEROSIL®气相法二氧化硅作 用的效率和稳定性,以下步骤相当重 要:
图 4:应用亲水型 AEROSIL® 200 和不同的疏 水型 AEROSIL®气相法二氧化硅产品对矿物油 粘度的增加
在大多数涂料、油墨的应用中气相二氧 化硅添加量都是相对低的。在最终的配 方中,低于基于体系总量的 1%(重量 比)被经常建议作为起始点。如果配方 中含有大量其他的颜料和填料, AEROSIL®在防沉降应用时的添加量可能 达到 2.0%,对于胶粘剂、密封剂和一 些个人护理方面的应用,由于要求的增 稠和触变性更高,所以添加量要大些, 在 4%-8%(重量比,基于体系总量)之 间。实际的用量百分比是基于体系的初 始粘度、要求的粘度和期望的储存稳定 性的。最适宜的添加量可以通过不断的 试验和修正确立,并且和特定的体系有 关。
3 应用正确的分散方法
低和高的剪切分散
为保证 AEROSIL®气相法二氧化硅的效率 最大化和确保性能的稳定性,我们需要 合适的分散方法。低剪切分散(LSD)如使 用螺旋桨式或搅拌叶片是不足于对气相 法二氧化硅进行剪切分散的。这种混合 类 型 的 外 围 速 度 ( 线 速 度 ) 是 1.5 6m/sec (5 - 20ft/sec)。在这种速率条 件下,最大的能量也只是用于润湿气相 法二氧化硅。这将导致:每批分散液达 到的增稠效果是不稳定的、使用效率的 降低造成更多 AEROSIL®气相法二氧化硅 的添加、糟糕的细度表现、沉淀和差的 储存稳定性。
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感的优点。作为悬浮液稳定剂,它们功 能相似,而且它们可以给予配方以疏水 性(例如,在化妆品乳液中的抗水和抗 汗)。在许多实例中,由于疏水型气相 法二氧化硅在非极性液体得到更好的润 湿,从而导致更好的凝胶稳定性。
图 4 展示了用亲水型 AEROSIL® 200 和 不同的疏水型 AEROSIL®气相法二氧化 硅 产 品 对 矿 物 油 ( PKWF 4/7,Dow 化 学,印刷油墨)的粘度的不同作用。
技术简报
No.1279
AEROSIL®气相法二氧化硅在液体系统中的成功应用
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பைடு நூலகம்
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目录
页码
1 介绍 ——————————————————————————————— 3 2 寻找理想的添加量 ————————————————————————— 4 3 应用正确的分散 —————————————————————————— 5 4 完善配方 ————————————————————————————— 10
对于双转子 系统(图 10 ) , 基 于 每个转子的 直径和转速 不同,事实 上有两个 “线速 度”,一个 内部的,一 个外部的。 线速度应该 分别加以计 算,与齿盘 系统(分散 机)的线速 度计算相 同。
在大规模生产中,转子-定子系统能够提 供连续的生产。一些分散系统能够直接 将 AEROSIL®气相法二氧化硅从包装中添 加到混合器中,从而减少扬尘(图 11)。
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关于这一点,不同的操作者有的快些, 有的慢些。如果不考虑这些时间,由于 操作者的原因,一些批次的产品就可能 得到较多或是较少的分散时间。系统从 漏斗或者是 FIBC(柔性中型散装容器, 或“大袋”)中自动添加 AEROSIL®气相 法二氧化硅是可行的。通常,加入速率 (无论手动或是自动)应依据物料对气 相法二氧化硅润湿能力做调整。这样可 以将润湿时间最小化,分散得以开始。 如果所有的 AEROSIL®气相法二氧化硅被 加到液体的上部,会影响二氧化硅的润 湿。
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