Was ist der Hauptmechanismus, durch den der industrielle Hochgeschwindigkeitsdispergierer eine Dispersion erzeugt?

Das Ich Industrieller Hochgeschwindigkeitsdispergierer (HSD) gilt als grundlegendes Gerät in Bereichen wie Feinchemikalien, Beschichtungen, Tinten und Klebstoffen. Seine Hauptfunktion ist die gleichmäßige und stabile Dispersion fester Pulver oder nicht mischbarer Flüssigkeiten in einer kontinuierlichen flüssigen Phase, wodurch hochwertige Suspensionen oder Emulsionen entstehen. Das Verständnis der kinetischen Mechanismen, die die hocheffiziente Dispergierung des HSD antreiben, ist für die Prozessoptimierung und das Erreichen einer überlegenen Produktqualität von entscheidender Bedeutung.

I. Hochgeschwindigkeitslaufrad: Wirbel und Makrozirkulation

Die Hauptarbeitskomponente des Hochgeschwindigkeitsdispergierers ist das Sägezahn-Scheibenlaufrad, das mit extrem hohen Geschwindigkeiten rotiert. Diese schnelle Rotation induziert zunächst einen heftigen Wirbel und eine großflächige Makrozirkulation (Bulk Flow) innerhalb der Flüssigkeitscharge.

1.1 Wirbelbildung und Pulvereinarbeitung

Da sich das Laufrad mit Geschwindigkeiten von mehreren tausend Umdrehungen pro Minute (U/min) dreht, erzeugt es eine erhebliche Zentrifugalkraft. Diese Kraft treibt die Flüssigkeit nach außen zur Behälterwand und bildet über dem Laufrad einen tiefen, stabilen trichterförmigen Wirbel. Das Wirbelzentrum zieht die Flüssigkeitsoberfläche bis nahe an die Laufradkante. Pulvermaterialien oder Tröpfchen, die zur Dispergierung bestimmt sind, werden direkt in diesen Wirbel geladen, wobei der schnelle Umlauf und die Saugkraft der Flüssigkeit genutzt werden, um die festen Partikel schnell in die Zone mit hoher Scherung – die Peripherie des Laufrads – zu ziehen. Eine effektive Steuerung des Wirbels ist der erste entscheidende Schritt, um sicherzustellen, dass Pulver schnell benetzt werden und in die Scherzone gelangen, wo das Agglomerat zerfällt.

1.2 Makrozirkulation und materielle Erneuerung

Die vom Laufrad erzeugte Makrozirkulation sorgt dafür, dass das gesamte Material im Dispergiertank kontinuierlich zur Verarbeitung in den Hochenergiebereich in der Nähe des Laufrads gesaugt wird. Dieses Strömungsmuster von oben nach unten und von der Wand zur Mitte fördert die Gesamtgleichmäßigkeit der Charge. Selbst in Systemen mit etwas höherer Viskosität sorgt die richtige Einstellung der Laufradposition und -geschwindigkeit dafür, dass die Makrozirkulation die Bildung von Totzonen oder Schichtungen am Tankboden oder an den Wänden wirksam verhindert und so die Chargenkonsistenz gewährleistet.

II. Hochgeschwindigkeits-Spitzenscherung: Der Kerndispersionsmechanismus

2.1 Kinetische Energieübertragung bei extremer Geschwindigkeit

Die hohe Rotationsgeschwindigkeit des Laufrads überträgt enorme kinetische Energie auf die Flüssigkeit in der Nähe der Spitze. Gemäß der Fluiddynamik ist die Fluidgeschwindigkeit in der Nähe der Spitze proportional zur Lineargeschwindigkeit des Laufrads. Dieser extreme Geschwindigkeitsunterschied erzeugt einen drastischen Geschwindigkeitsgradienten innerhalb der Flüssigkeitsschichten.

2.2 Turbulenz und Hochfrequenzstoß

In der unmittelbaren Randzone des Laufrads befindet sich die Flüssigkeit in einem Zustand intensiver Turbulenz. Sobald feste Agglomerate in diesen Bereich gezogen werden, werden sie hochfrequenten, hochintensiven Stößen und Reibung durch die Zähne des Laufrads und die Hochgeschwindigkeitsflüssigkeit ausgesetzt. Diese mechanische Kraft überwindet die Kräfte zwischen den Partikeln, wie z. B. Van-der-Waals-Kräfte und elektrostatische Kräfte, wodurch die Agglomerate sofort in kleinere Primärpartikel oder Sekundäraggregate zerfallen. Dies ist die Kernmethode, mit der das HSD die Desagglomeration und Partikelgrößenreduzierung erreicht.

2.3 Scherspannung und Agglomeratbruch

Wenn die Flüssigkeit schnell an den Laufradzähnen vorbeiströmt, entsteht eine enorme Scherspannung zwischen den Flüssigkeitsmolekülen sowie zwischen der Flüssigkeit und den Partikeln. Scherspannung ist die primäre Kraft, die erforderlich ist, um die innere Kohäsionsfestigkeit der Agglomerate zu überwinden. Professionelle industrielle HSDs sind so konstruiert, dass sie die kritische Scherkraft erzeugen, die zum Zerbrechen der meisten Pigment- und Füllstoffagglomerate erforderlich ist. Diese Scherwirkung ist für eine gleichmäßige Verteilung und die Bildung eines stabilen Suspensionssystems von entscheidender Bedeutung. Die Dispergierung ist nur dann wirksam, wenn die ausgeübte Scherspannung die Bindungsstärke des Agglomerats übersteigt.

III. Die drei Phasen der Dispersion: Benetzung, Desagglomeration und Stabilisierung

Der Betrieb eines Hochgeschwindigkeitsdispergierers ist ein kontinuierlicher Energieeintragsprozess, der in drei Phasen unterteilt werden kann, die gemeinsam eine qualitativ hochwertige Dispergierung erreichen.

3.1 Die Benetzungsphase

Dies ist die Anfangsphase des Dispergierprozesses. Das Pulver wird schnell in die flüssige Phase eingearbeitet. Die Makrozirkulation und der Wirbel des HSD sorgen für einen gründlichen Kontakt zwischen der Pulveroberfläche und dem flüssigen Medium. Der Flüssigkeitsfilm auf der Laufradoberfläche dringt augenblicklich in die Hohlräume zwischen den Pulverpartikeln ein, verdrängt Luft und vervollständigt den Benetzungsprozess.

3.2 Die Desagglomerationsphase

Dies ist die Phase, in der der Energieeintrag am stärksten konzentriert ist. Durch die kombinierte hohe Scherung und den turbulenten Aufprall an der Laufradkante werden Agglomerate schnell zersetzt. Die Effizienz dieser Phase bestimmt direkt die Partikelgrößenverteilung (PSD) des Endprodukts und die insgesamt erforderliche Dispergierzeit.

3.3 Die Stabilisierungsphase

Nach dem Partikelabbau adsorbieren Stabilisatoren wie Harze, Dispergiermittel oder Tenside in der Flüssigkeit schnell auf den neu freigelegten Partikeloberflächen. Diese Stabilisatoren verhindern, dass die Partikel erneut aggregieren oder ausflocken, indem sie für sterische Hinderung oder elektrostatische Abstoßung sorgen. Die kontinuierliche, gleichmäßige Mischwirkung des Hochgeschwindigkeitsdispergierers unterstützt die homogene Verteilung und vollständige Adsorption dieser Stabilisierungsmittel im gesamten System.