Скорость перемешивания и пена: контроль вовлечения воздуха в покрытиях

---

Скорость перемешивания влияет на пену через два конкурирующих эффекта: более высокая скорость мешалки или лопасти даёт больше сдвига, что улучшает смачивание, дезагломерацию и гомогенизацию, но также вовлекает больше воздуха в партию и разбивает этот воздух на более мелкие пузырьки, которые труднее выделить. Поэтому практическая цель — не самая низкая или самая высокая скорость, а наивысшая скорость, при которой поверхность остаётся закрытой, а вовлечённый воздух остаётся управляемым, в сочетании с пеногасителем, подобранным под систему. В этой статье изложены механизмы, процедура выбора, подход к испытаниям и масштабированию, а также роль химии пеногасителя для рецептурщиков покрытий, клеёв, печатных красок и композитов.

Кратко

• Пена требует механической энергии и стабилизирующего ПАВ; в рецептуре стабилизацию обеспечивают смачивающие агенты, диспергаторы и эмульгаторы, а энергию — смеситель.
• Проблемы с пеной определяются не столько оборотами, сколько скоростью на конце лопасти, глубиной воронки, положением мешалки и уровнем жидкости, поэтому корректируйте геометрию и порядок ввода, прежде чем снижать скорость.
• Выбирайте скорость поэтапно: повышайте её, пока воронка не начнёт захватывать воздух, отступите до точки, где поверхность закрыта, и подтверждайте качество диспергирования по степени перетира, а не по внешнему виду.
• Проверяйте каждое изменение по плотности (масса на галлон) и внешнему виду плёнки, а масштабируйте по скорости на конце лопасти и мощности на объём, а не по оборотам.
• Правильно подобранный пеногаситель, введённый на нужной стадии, расширяет рабочее окно скоростей; передозированный или несовместимый даёт кратеры и муть.

Пена — это дисперсия газа в жидкости, и её образование зависит от двух условий. Первое — подвод энергии: механическая энергия необходима для образования пены, а ПАВ способствуют её возникновению, стабилизируя жидкие плёнки. Второе — устойчивость: пена существует лишь до тех пор, пока ламели между пузырьками сопротивляются утончению и разрыву. В потребительских пенах, таких как шампунь и пиво, молекулы ПАВ, покрывающие пузырьки, стабилизируют пену, препятствуя коалесценции.

В партии покрытия или клея действует тот же принцип, но стабилизаторов присутствует больше, чем в большинстве систем. Диспергаторы, смачивающие агенты, ассоциативные загустители, эмульгаторы и остаточные ПАВ в эмульсиях смол адсорбируются на границе воздух–жидкость. Пигменты и наполнители вносят дополнительный вклад: частицы с частично смоченными поверхностями могут закрепляться на стенках пузырьков, а растущая вязкость замедляет дренаж и всплытие пузырьков. В результате рецептура, которая стабильна и хорошо диспергирована, почти по определению хорошо удерживает пену.

На практике обычно различают две популяции пены:

• Поверхностная пена — слой крупных пузырей на поверхности партии. Она видна, обычно спадает после остановки перемешивания и в основном является проблемой обращения и объёма заполнения.
• Вовлечённый воздух (микропена) — мелкие пузырьки, диспергированные по всему объёму. Он часто невидим при перемешивании, повышает кажущуюся вязкость, снижает плотность и позже проявляется как проколы, кратеры, пузыри или снижение глянца в высохшей плёнке.

Вторая популяция коммерчески важна, поскольку определяет уровень дефектов на последующих стадиях.

Как скорость перемешивания влияет на пену и вовлечение воздуха

Скорость действует на пену через несколько различных механизмов, и их разделение объясняет, почему простое снижение оборотов иногда не помогает.

Образование воронки и вовлечение с поверхности

При низкой вязкости осевая или радиальная мешалка вблизи поверхности создаёт воронку. По мере роста скорости воронка углубляется, пока не достигнет мешалки, или поверхность не станет достаточно турбулентной, чтобы затягивать воздух в жидкость. Этот порог, часто называемый началом вовлечения воздуха, зависит от диаметра мешалки, глубины жидкости над мешалкой, геометрии аппарата и наличия перегородок. После его превышения поступление воздуха растёт круто, а не пропорционально, с дальнейшим повышением скорости.

Разрушение пузырьков под действием сдвига

Вовлечённый воздух не остаётся крупными пузырями, когда поле сдвига интенсивно. Высокий локальный сдвиг у лопасти разбивает пузыри на более мелкие. Мелкие пузырьки всплывают медленно, поскольку скорость всплытия падает с квадратом диаметра пузырька в вязкой жидкости, и они эффективнее стабилизируются адсорбированным ПАВ. Поэтому партия, обработанная при высокой скорости на конце лопасти после попадания воздуха, может удерживать больше микропены, чем партия, обработанная медленнее, даже если более медленная партия могла выглядеть более турбулентной.

Вязкость и стадия диспергирования

На стадии перетира или диспергирования вязкость намеренно высока, чтобы сдвиг эффективно передавался агломератам. В этом режиме вовлечённый воздух не может выйти, потому что всплытие пузырьков замедлено. Воздух, вовлечённый здесь, труднее всего удалить позже. При доводке вязкость падает, пузырьки движутся свободнее, но добавляются богатые ПАВ растворы смол и добавок, что повышает стабилизацию. У каждой стадии свой вид отказа, поэтому одна фиксированная скорость редко подходит для всего цикла.

Скорость на конце лопасти, а не обороты

Обороты описывают вращение вала, тогда как сдвиг, который испытывает частица, связан со скоростью на конце лопасти, которая масштабируется и с оборотами, и с диаметром лопасти. Два диссольвера при одинаковых оборотах с разными диаметрами лопасти дают разные скорости на конце, разный сдвиг и разное вовлечение воздуха. Указание скорости в оборотах без диаметра даёт число, которое нельзя перенести между оборудованием.

Геометрия смесителя и практика работы, снижающие пену до изменения скорости

Несколько корректировок снижают вовлечение воздуха, не жертвуя сдвигом, и их следует оценить, прежде чем принимать более низкую скорость.

1. Погружение мешалки. Держите лопасть достаточно глубоко под поверхностью, чтобы воронка до неё не доходила. Обычная отправная точка для высокоскоростных диссольверов — соотношение диаметра лопасти и диаметра аппарата и высота жидкости, сохраняющие характерную «пончиковую» картину потока, причём лопасть отстоит от дна примерно на один свой диаметр. Точные соотношения должны исходить от производителя оборудования.
2. Уровень жидкости и объём заполнения. Низкий уровень жидкости над лопастью провоцирует образование воронки. Объём заполнения должен оставлять свободный борт для пены, которая всё же образуется.
3. Порядок ввода. Добавляйте порошки медленно у края воронки, ниже поверхности, если позволяет оборудование, а не сбрасывайте их с высоты. Сухие порошки несут адсорбированный воздух в партию. Компоненты, богатые ПАВ, добавляйте после фазы высокого сдвига, где это позволяет рецептура.
4. Тип мешалки. Зубчатые лопасти, лопастные турбины и низкосдвиговые якорные мешалки различаются по количеству перекачиваемого воздуха. Подбор лопасти под стадию (диспергирование или доводка) часто эффективнее изменения скорости.
5. Перегородки и внеосевой монтаж. Разрушение завихрения подавляет глубокую центральную воронку, сохраняя объёмный поток.
6. Защита поверхности жидкости. Линии возврата и загрузочные трубы должны выходить ниже поверхности жидкости, а не над ней.
7. Вакуум или давление. Там, где позволяет оборудование, перемешивание при пониженном давлении удаляет воздух во время или после фазы высокого сдвига, что особенно полезно для клеёв и смол композитов.

Выбор скорости перемешивания для конкретной рецептуры

Следующая процедура даёт обоснованную настройку скорости с использованием лабораторного оборудования, имеющегося в большинстве лабораторий.

Шаг 1: Определить критерии качества

Задайте измеримые цели до изменения скорости: степень перетира (Hegman или эквивалент), вязкость при заданной скорости сдвига, плотность относительно теоретического значения и внешний вид плёнки на выкраске. Затем скорость настраивают под них, а не под внешний вид партии в аппарате.

Шаг 2: Установить порог вовлечения воздуха

Начните с низкой скорости при правильном погружении и повышайте её приращениями, выдерживая каждую фиксированное время. Зафиксируйте скорость, при которой воронка впервые достигает лопасти или поверхность начинает затягиваться. Это верхняя граница для текущей геометрии и уровня.

Шаг 3: Найти минимальную скорость для диспергирования

На каждом приращении отбирайте пробу и измеряйте степень перетира и развитие вязкости во времени. Многие пигментные системы выходят на плато, при котором дополнительная энергия даёт мало дальнейшей дезагломерации. Скорость выше плато добавляет воздух и тепло, но не пользу.

Шаг 4: Выбрать рабочее окно

Рабочая скорость лежит между минимальной для диспергирования и порогом вовлечения. Если они перекрываются и окна нет, пересматривать нужно геометрию, порядок ввода или пакет диспергатора и пеногасителя, а не скорость.

Шаг 5: Определить скорости по стадиям

Запишите отдельные скорости для ввода порошка, высокосдвигового диспергирования и доводки. Обычная схема — медленный ввод, более высокая скорость после смачивания порошков и пониженная скорость для доводки и ввода добавок.

Снижение пены без потери качества диспергирования

Снижение скорости — самый простой ответ и часто наименее эффективный, потому что оно уменьшает сдвиг, от которого зависит диспергирование. Более надёжная иерархия выглядит так.

• Скорректировать геометрию и уровень, как указано выше.
• Пересмотреть нагрузку ПАВ. Избыток смачивающего агента или диспергатора сверх потребности поверхности пигмента остаётся свободным в жидкости и стабилизирует пену. Оптимизация дозировки часто снижает и пену, и стоимость одновременно.
• Подобрать пеногаситель, подходящий системе, и ввести его на той стадии, где он нужен границе воздух–жидкость.
• И только затем снижать скорость, причём на минимальное приращение, которое восстанавливает закрытую поверхность.

Роль пеногасителей

Пеногаситель работает, проникая в плёнку пузырька, растекаясь по ней и дестабилизируя ламель, так что пузырьки коалесцируют и выделяются. Чтобы выполнить эту функцию, он должен быть достаточно несовместим со средой, чтобы достичь границы раздела, и при этом достаточно диспергирован, чтобы присутствовать по всей партии. Слишком совместимый — и он неэффективен. Слишком несовместимый или слишком грубо диспергированный — и он остаётся каплями, которые вызывают кратеры, «рыбьи глаза» или потерю глянца.

Используются два основных класса химии:

• Силиконовые пеногасители обеспечивают сильное гашение и устойчивость при низкой дозировке, особенно в водоразбавляемых системах, но несут риск поверхностных дефектов и проблем с перекрытием там, где силиконовое загрязнение недопустимо.
• Несиликоновые пеногасители (минеральное масло, полимерные и другие органические типы) избегают связанных с силиконом дефектов и предпочтительны в системах, чувствительных к перекрываемости или адгезии, иногда при более высокой требуемой дозировке.

ASTRA Chemical поставляет обе категории: ASTRA DF® для силиконового пеногашения и ASTRA DF NS® для несиликоновых применений. Выбор зависит от типа связующего, требований к перекрытию, подложки и стадии, на которой появляется пена.

Момент ввода и дозировка пеногасителя

Момент так же важен, как выбор. Пеногаситель, введённый в начале перетира, длительно подвергается высокому сдвигу и может быть раздроблен в очень тонкие капли, теряющие эффективность, тогда как введённый только при доводке меньше влияет на воздух, запертый при диспергировании. Многие рецептурщики делят ввод: часть на перетире для подавления пены при высоком сдвиге и часть при доводке для устойчивости. Дозировку следует задавать лестничным исследованием, поскольку передозировка — частая причина дефектов, которые ошибочно относят на смолу или подложку.

Проверка изменений и масштабирование

Изменение скорости или пеногасителя подтверждается данными, и те же данные направляют масштабирование.

Лабораторные испытания

• Чашка плотности (масса на галлон): сравнивает измеренную плотность с теоретической; дефицит указывает на объём вовлечённого воздуха. Это самое быстрое количественное измерение микропены.
• Высота пены и время её спада: перемешивание фиксированного объёма при фиксированной скорости и времени в мерном сосуде с записью начальной высоты пены и времени до спада позволяет сравнивать кандидатов пеногасителей.
• Выкраска и осмотр плёнки: нанесение контролируемой толщины с осмотром на кратеры, проколы и потерю глянца после отверждения.
• Вязкость до и после деаэрации: рост при отстаивании или падение после деаэрации указывает на то, что воздух вносит вклад в кажущуюся реологию.
• Стабильность при хранении: эффективность пеногасителя может снижаться при старении, поэтому повторяйте испытание после циклов термостарения.

Принципы масштабирования

Лабораторный успех не переносится простым совпадением оборотов. Разумный подход — это:

1. Сначала уравнять скорость на конце лопасти для шагов, определяемых диспергированием, затем подтвердить результат сдвига по степени перетира в масштабе.
2. Проверить геометрическое подобие: отношение диаметра лопасти к диаметру аппарата, высоту жидкости и зазор лопасти. Там, где его нельзя сохранить, скорректировать скорость, чтобы сохранить результат диспергирования, и заново определить порог вовлечения.
3. Учитывать размер партии и тепло. Более крупные партии удерживают тепло от высокосдвиговой работы, что снижает вязкость, меняет распределение пеногасителя и может сдвинуть баланс пены.
4. Повторно провести испытания плотности и выкраски на первых производственных партиях и скорректировать дозировку пеногасителя в масштабе, а не предполагать, что лабораторная дозировка переносится.
5. Документировать скорости, геометрию, порядок ввода и время, чтобы процесс был воспроизводим между сменами и площадками.

Взгляд: к чему обычно сводятся проблемы скорости перемешивания

В нашей работе с рецептурщиками покрытий, клеёв и печатных красок заявленная жалоба обычно касается пены, но причина часто является взаимодействием: уровень диспергатора, заданный выше потребности пигмента, лопасть слишком близко к поверхности, пеногаситель, введённый на стадии, где его срезает сдвиг, или лабораторная скорость, перенесённая в производство без учёта скорости на конце лопасти. Лечение симптома снижением оборотов обычно переносит проблему в качество диспергирования, давая грубый перетир, потерю развития цвета и запрос на дополнительную добавку.

Наш подход — рассматривать диспергатор и пеногаситель как одну систему и квалифицировать их вместе, в собственной смоле и пигменте заказчика, при его собственных настройках оборудования. Это означает дозировочную лестницу вместо единственной рекомендованной цифры, раздельный ввод пеногасителя там, где этого требует процесс, и документированное рабочее окно для каждой стадии. Цель — сопоставимые характеристики с премиальными добавками при более низкой совокупной стоимости применения, что достигается оптимизированной дозировкой и партийной стабильностью, а не более высокой загрузкой.

— Astra R&D Team

Квалификация пакета диспергатора и пеногасителя

Рецептурщики, желающие расширить своё окно скоростей, могут оценить ассортимент ASTRA с лабораторно подтверждённой квалификацией и технической поддержкой. ASTRA DISP® решает задачи смачивания и стабилизации пигмента, а линейки пеногасителей выше — задачу выделения воздуха. Полный ассортимент, включая реологические модификаторы и функциональные добавки, представлен на странице продукции ASTRA CHEMICAL, где можно организовать запрос образцов и технические консультации для конкретной рецептуры.

FAQ

Какая скорость перемешивания предотвращает пену в партии покрытия?

Единых оборотов не существует, потому что порог зависит от диаметра лопасти, погружения, уровня жидкости, вязкости и присутствующих ПАВ. Рабочая скорость — наивысшая, при которой поверхность остаётся закрытой и цели диспергирования, такие как степень перетира, всё ещё достигаются. Её находят пошаговым испытанием на реальной рецептуре и оборудовании.

Всегда ли более высокая скорость перемешивания создаёт больше пены?

Как правило, больший подвод энергии даёт больше пены, но зависимость не линейна. Ниже порога вовлечения воздуха добавленная скорость создаёт мало пены, а выше него поступление воздуха резко растёт. Положение лопасти, перегородки и уровень жидкости существенно сдвигают этот порог.

Следует ли добавлять пеногаситель до или после высокоскоростного перемешивания?

Часто и то и другое. Часть, введённая при перетире, контролирует пену при высоком сдвиге, а часть при доводке обеспечивает устойчивость после добавления компонентов, содержащих ПАВ. Разделение следует подтвердить испытаниями плотности и выкраски, поскольку ранний ввод при высоком сдвиге может снизить эффективность пеногасителя.

Когда предпочтителен несиликоновый пеногаситель?

Несиликоновый тип обычно выбирают, когда перекрываемость, адгезия или чувствительность к кратерам делают силиконовое загрязнение риском. Силиконовые типы часто предпочитают для сильного гашения при низкой дозировке. Решение следует подтвердить выкраской в реальной системе.

Как измеряют содержание воздуха в партии?

Самый доступный метод — сравнить измеренную плотность в чашке плотности (масса на галлон) с теоретической плотностью рецептуры. Более низкое измеренное значение указывает на вовлечённый воздух. Осмотр плёнки на проколы и кратеры подтверждает эффект в готовом продукте.

Источники

• Историческая перспектива: критический обзор роста, образования и стабилизации пены (Advances in Colloid and Interface Science, 2016)
• Как сделать пенистый шампунь или пиво (University of Maryland, Complex Fluids, 2010)