珠磨機(砂磨機) – 粉碎和分散

1. 關(guān)于珠磨機（砂磨機）

珠磨機是一種利用研磨介質(zhì)（如磨珠）對漿液進行粉碎或分散處理的機械裝置，粉碎容器（呈圓筒形）內(nèi)部裝有攪拌器，磨珠和漿液，攪拌器通過攪拌帶動磨珠轉(zhuǎn)動，磨珠在轉(zhuǎn)動過程中，與漿液中的粒子摩擦沖擊產(chǎn)生的能量能將粒子粉碎或分散。珠磨機的應(yīng)用廣泛，無論是粗大粒子的粉碎或是細微粒子的分散都能對應(yīng)。它能有效地將微米或者亞微米粒子粉碎至更細，精細程度可達數(shù)十納米。當(dāng)處理不同材質(zhì)的漿液時，需要選擇最優(yōu)的運轉(zhuǎn)條件。可以通過選擇合適的磨珠尺寸，攪拌器轉(zhuǎn)速和攪拌器形狀種類，來調(diào)整粉碎分散的能量大小，從而實現(xiàn)粒子的微細化處理。

2. 選擇磨珠大小的重要性

磨珠尺寸是粉碎分散處理中最重要的因素。當(dāng)把微米粒子粉碎成亞微米粒子時，應(yīng)選擇? 0.5mm以上的大磨珠。當(dāng)粉碎或分散亞微米或納米的粒子時，應(yīng)選擇? 0.3mm以下的磨珠。在分散處理中，不需要對粒子施加巨大的沖擊力。此外，較小的磨珠能加快處理速度，這是因為在同一體積中，相對于大尺寸的磨珠數(shù)量，小尺寸的磨珠數(shù)量更多，從而增加了磨珠和粒子之間的碰撞頻率。
尤其是
1) 目標(biāo)粒徑和處理物質(zhì)本身的硬度決定了粉碎/分散所需要的能量。通過選擇合適的磨珠尺寸，攪拌器轉(zhuǎn)速和加入的磨珠量，能調(diào)節(jié)粉碎/分散所需要的能量。
2) 磨珠和粒子之間的碰撞頻率會影響粉碎/分散速度。（碰撞頻率由攪拌器轉(zhuǎn)速和磨珠大小控制）
3) 磨珠間的空隙大小與磨珠自身的大小成正比例，而這個空隙大小會影響粒子的最終尺寸。所以，磨珠尺寸越小，磨珠與粒子的接觸機會將更多。請注意，磨珠間的空隙指的是當(dāng)磨珠緊密堆積時，由磨珠包圍的空間。（見圖1）

圖1 磨珠間的空隙

粉碎處理中磨珠尺寸的選擇
磨珠對粒子施加的能量程度由磨珠尺寸和攪拌器速度決定。因此在粉碎粒徑大的或者硬度強的粒子時，由于需要對粒子施加高強度的能量，所以應(yīng)選擇大磨珠和高轉(zhuǎn)速。當(dāng)粉碎如二氧化硅，氧化鋁和硬質(zhì)天然礦石的硬粒子時，我們使用? 0.3mm以上的磨珠作為研磨介質(zhì)。

圖2 磨珠大小引起的能量差異

然而，在進行粉碎處理時，并不總是選擇大磨珠。磨珠的大小會影響粒子的最終尺寸。當(dāng)粉碎200nm以下的微小粒子時，應(yīng)使用? 0.1mm或? 0.3mm大小的磨珠進行粉碎處理。
此外，小磨珠能縮短處理時間，這是因為小磨珠與粒子接觸面積寬大，磨珠和粒子之間的碰撞頻率得到提高。如果是軟質(zhì)粒子，其所需的沖擊能量小，則可選用較小的磨珠來提高處理效率。這種軟質(zhì)粒子包含碳酸鈣，氧化鐵，農(nóng)藥和藥物類的化學(xué)品等。
在粉碎200nm以下的微小粒子時，選擇合適的磨珠大小尤其重要。與小磨珠相比，大磨珠之間的空隙要更大，所以磨珠與粒子接觸的次數(shù)也會很少，粉碎效率低。因此在粉碎微細粒子時應(yīng)使用小磨珠。在磨珠大小的選定中，磨珠的大小應(yīng)是原料中最大粒徑的10倍至30倍，目標(biāo)粒徑的1000倍至3000倍。例如，在粉碎碳酸鈣時，原料中最大粒徑為10μm，目標(biāo)粒徑為100nm時，建議選擇? 0.1mm的磨珠。

圖3 磨珠大小引起的粉碎/分散效率差異

分散處理中的磨珠選擇
在分散處理中，選擇磨珠大小的基本理念雖然跟粉碎處理中的理念類似，但需要考慮的條件卻有不同。其最大的不同點是磨珠大小不同對一次粒子造成的損壞程度也不同。分散所需要的沖擊能量不得損壞一次粒子，并且使團聚的粒子分散。
由于每個粒子都是以目標(biāo)尺寸制成，并為最終產(chǎn)品提供適當(dāng)?shù)男阅埽虼诵枰苊饬Ｗ邮艿綋p壞。當(dāng)沖擊能量太大時，一次粒子不但會被損壞，其產(chǎn)生的細小破片將作為粘合劑引發(fā)粒子的再聚集，在這種情況下，即使通過長時間的處理漿液中的粒子也不能得到分散。
因此，磨珠的沖擊能量需要適度，既不能太強，也不能太弱。在分散處理中為了保持納米粒子的完整性，即實現(xiàn)對納米粒子的低損傷分散，使用小磨珠來保持較低的沖擊能量十分重要。此外，小磨珠增加了磨珠和粒子之間的碰撞頻率，提高了處理效率。
通常，在分散處理中，由于一次粒子的粒徑很小，需選擇較小的磨珠。理想的磨珠大小應(yīng)是原始一次粒子的1,000至2,000倍。在現(xiàn)代的許多分散實踐中，一次粒子的大小主要為10nm～200nm，因此在分散處理中所選磨珠比粉碎處理中所選磨珠尺寸更小。例如，當(dāng)一次粒子為100nm時，磨珠大小通常選在100μm以下。在現(xiàn)代納米材料中，一次粒子小于或等于50nm。

圖4 根據(jù)目標(biāo)粒徑選擇合適的磨珠尺寸

3. 如何選擇珠磨機的類型

如前一節(jié)所述，根據(jù)不同的處理目的來選擇合適的磨珠大小非常重要。下一步，則是選擇最佳的磨珠分離方法，而這取決于磨珠的大小。
磨珠的分離方法是決定珠磨機類型的重要因素之一。磨珠分離方法通常分為狹縫分離法，篩網(wǎng)分離法和離心分離法，每種方法都具有其優(yōu)選的磨珠尺寸。以下各節(jié)將介紹這三種方法。

狹縫式磨珠分離器
這種方法是用漿液出口處的狹小的縫隙將漿液與磨珠分離?？p隙寬度約為磨珠直徑的1/3。配備有狹縫分離器的珠磨機，適用于? 0.3mm或更大的磨珠。如果使用小于? 0.3mm的磨珠，狹縫處可能會被磨珠和粗大粒子堵塞，導(dǎo)致漿液的供給壓力增加。即使是處理高粘度的漿液，這種方法也能保證操作穩(wěn)定并且不會有磨珠的漏出。

篩網(wǎng)式磨珠分離器
該分離器在漿液出口處設(shè)置有篩網(wǎng)，通過篩網(wǎng)來對漿液和磨珠進行分離，類似于狹縫式磨珠分離器。該分離器由金屬線的網(wǎng)狀物構(gòu)成，網(wǎng)中的窄小間隙用于磨珠和漿液的分離。配備這種分離器的珠磨機應(yīng)選用大于? 0.1mm的磨珠。與狹縫式相比，篩網(wǎng)式的分離面積更多，能適用于更小的磨珠的分離。然而，當(dāng)磨珠小于或者等于? 0.1mm的情況下，便需要配備更細的篩網(wǎng)，而這種情況下篩網(wǎng)處容易被磨珠和漿液中的粗大粒子堵住發(fā)生堵塞。這種磨珠分離法不適合處理高粘度漿液。

離心式磨珠分離器
該分離器是利用離心力分離磨珠，它內(nèi)部有呈排列狀的分離板。由于磨珠的密度是漿液的4到5倍，產(chǎn)生在磨珠上的離心力能有效地起到重力篩選的作用來分離磨珠。該方法的一個重要特征是沒有狹窄的間隙。不需要漿液通過狹窄的間隙，即使是使用15或30μm大小的磨珠，也不會發(fā)生堵塞。因此，當(dāng)使用微珠（指? 0.1mm或以下的磨珠）分散或粉碎處理亞微米粒子和納米粒子時，離心式磨珠分離器為最佳。

不同類型的磨珠分離器的比較
在珠磨機進行粉碎或分散操作前，首先應(yīng)確定合適的磨珠尺寸。如上節(jié)所述，磨珠大小由原材料的屬性和處理的手段和目的（分散或粉碎）決定。在確定磨珠大小之后，再選擇合適的磨珠分離器類型。

圖5 磨珠分離器的類型及其應(yīng)用

由于每種磨珠分離器具有其自身的優(yōu)點和缺點，所以在選擇磨珠分離器時，應(yīng)根據(jù)不同磨珠分離器的特點和磨珠尺寸來進行選擇。將粒子粉碎至微米或亞微米時，應(yīng)選用較大的磨珠，這時將采用縫隙和篩網(wǎng)分離器。將粒子分散至亞微米的情況下，由于所選的磨珠尺寸小于? 0.3mm，故采用篩網(wǎng)式和離心式。將粒子分散至納米的情況下，應(yīng)選用? 100μm以下的磨珠，所以選擇離心磨珠分離器。

4. 橫臥式和垂直式的珠磨機比較

珠磨機按攪拌器放置位置劃分，有橫臥式和垂直式兩種。由于作用在磨珠上的離心力是重力的100至1000倍，因此重力的影響小到可以忽略不計。因此，兩種類型之間的處理性能上沒有顯著差異。
然而，就可操作性和維修簡易性而言，存在以下優(yōu)點和缺點。

• 橫臥式
  
  • ?占地面積大
    
  • ?磨珠堆積時的高度較低，起動功率低
    
  • ?回收殘留漿液和排出磨珠需要更多的工作和時間
    
  • ?更換零件相對容易
    
• 垂直式
  
  • ?占地面積小
    
  • ?磨珠堆積時的高度高，起動功率高
    
  • ?回收殘留漿液和排出磨珠更容易
    
  • ?更換零件不是很容易
    

    5. 珠磨機的應(yīng)用
    

    珠磨機應(yīng)用于多個領(lǐng)域，例如粉碎或分散食品材料，釉料里的金屬氧化物，磁帶里的氧化鐵，多層片式陶瓷電容器（MLCC）等。
    特別是在近十年來，很多行業(yè)對于分散納米級粒子的需求大幅增加。除了常規(guī)應(yīng)用外，珠磨機還用于分散20至100納米的粒子。其應(yīng)用的領(lǐng)域例如有，分散LCD濾色器的有機顏料，分散硬涂層原料氧化鋯和分散MLCC的原料鈦酸鋇。這些應(yīng)用的分散處理中，都要求粒子保持其完整的結(jié)構(gòu)不受到損傷。因此，近年來業(yè)界對能應(yīng)對微珠的珠磨機的需求也在隨之增長。
    除此以外，今后的技術(shù)發(fā)展方向是將原料藥（API）粉碎至納米級別。這項技術(shù)要求減少漿液中的金屬污染（如鋯，鋁和鉻）從而實現(xiàn)有效粉碎。
    

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  來源：廣島金屬機械股份有限公司化工科技事業(yè)部

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