Измельчение и микронизация пигментов

Во многих случаях на завершающих стадиях получения пигментов осуществляют их измельчение и микронизацию. Различают:

1)  грубое измельчение с получением частиц размером 100—1000 мкм,

2)   среднее измельчение — до 100 мкм,

3)   тонкое измельчение — до 10 мкм,

4)   сверхтонкое измельчение — микронизацию с получением частиц размером менее 1 мкм.

Измельчение осуществляют поэтапно, последовательным дроблением и размолом в мельницах различных типов. Измельчение — дорогой и высокоэнергоемкий процесс.

При механическом диспергировании протекают два противоположных процесса; разрушение частиц внешней силой, чаще прилагаемой к совокупности частиц, и агрегация частиц, как самопроизвольная, так и вызываемая внешними сжимающими усилиями. Оба процесса зависят от природы окружающей частицы пигмента среды и условий ее взаимодействия с частицами. Разрушение твердого тела происходит по наиболее слабым местам: плоскостям спайности и блокам кристаллов, макро - и микротрещинам и другим дефектам кристаллической решетки. На разрыв ковалентных и ионных связей в различных материалах требуется затратить от 10 до 1000 кДж/моль и более. Прочность реальных кристаллов по местам краевых дислокаций обычно в 102—104 раз ниже. Количество дефектов с уменьшением размеров частиц становится все меньше, и малые частицы как бы упрочняются, затрата энергии возрастает, процесс измельчения замедляется, а затем совсем прекращается. Для облегчения измельчения материалов предварительно увеличивают в них содержание линейных дефектов, подвергая материалы тепловым ударам (гашение раскаленных продуктов в холодной воде, обработка высокотемпературной плазмой) или вводя примеси ионов, нарушающих порядок кристаллической решетки.

Накопление мелких частиц затрудняет передачу прилагаемых сдвиговых механических напряжений вследствие диссипации — рассеяния энергии на передвижение и нагрев частиц в подвижных порошковых системах. Для повышения эффективности процесса измельчения необходимо непрерывно удалять из рабочей зоны мельниц фракции частиц, не требующие дальнейшего измельчения. Для этого в замкнутый цикл с мельницами включают аэро - или гидросепараторы. Измельчение малодефектных частиц целесообразно проводить в других, последовательно работающих измельчителях с более высокоэнергонапряженными параметрами, например в вибрационных и струйных мельницах.

В результате механических процессов измельчения происходит разупорядоченность поверхностных слоев и разрыв химических связей с образованием свободных радикалов, электрически заряженных центров и аморфизированных слоев толщиной до 2 нм. Стремление снизить возросший запас поверхностной энергии вызывает коагуляцию частиц с образованием плотных агрегатов, цепочечных и сетчатых структур, изменяющих физические свойства порошков. При достижении размера частиц 10—1 мкм дальнейшее сухое измельчение становится практически невозможным и продолжать его можно лишь в присутствии ПАВ.

Для облегчения тонкого измельчения применяют мокрый размол. Жидкости, хорошо смачивающие измельчаемый материал, особенно растворы поверхностно-активных диспергаторов, в присутствии электролитов проникая в микротрещины, оказывают на частицы расклинивающее действие (эффект Ребиндера), что ускоряет процесс измельчения на 30—60 % и препятствует агрегации. Мокрое измельчение позволяет получать частицы размером 0,2—1 мкм. Однако после мокрого измельчения, как правило, необходимо удалять жидкость. Для этого полученную суспензию пигмента коагулируют, вводя осадители (сульфат алюминия, жидкое стекло) или флокулянты — очень малые количества (0,001—0,5 %) полиэлектролитов (полиакриламида, гидролизованного полиакрилонитрила, карбоксиметилцеллюлозы и др.). Выпавший в осадок пигмент отфильтровывают, дополнительно промывают и сушат. Процесс сушки требует затраты большого количества тепловой энергии и сопровождается фазовым срастанием частиц, что вызывает необходимость дополнительного механического измельчения. Сушка пигментов, модифицированных ПАВ, во взвешенном состоянии в распылительных сушилках значительно снижает повторную агрегацию.

Коэффициент полезного действия измельчителей очень низок; для шаровых и других мельниц он составляет лишь доли процента, а удельные затраты энергии достигают 50—150 кВт-ч/т при тонком и более 500 кВт-ч/т при сверхтонком измельчении. Измельчение сопровождается загрязнением пигментов — «намолом», образующимся в результате истирания рабочих частей мельниц. Все это заставляет изыскивать способы, исключающие измельчение из технологических процессов производства пигментов.