Estrategias de mezcla para drogarse

Aug 30, 2023

24 de enero de 2019

Cuando los sólidos se dispersan o disuelven en un líquido, las cantidades relativas de cada fase son necesariamente factores clave en la selección del mezclador. En realidad, la viscosidad es un parámetro aún más importante. Para el propósito de nuestra discusión en este artículo, definamos el porcentaje de sólidos como la proporción de masa sólida presente en una formulación, donde los "sólidos" pertenecen a los materiales no volátiles o los componentes inorgánicos de la mezcla.

Si bien el término "alto contenido de sólidos" se usa comúnmente en diferentes mercados, incluidos adhesivos, selladores, pinturas y revestimientos, no existen estándares que definan el contenido mínimo o promedio de sólidos de las formulaciones con alto contenido de sólidos en general.

Porcentaje de sólidos frente a viscosidad Dependiendo de la química de las materias primas, las composiciones con alto contenido de sólidos adquieren una amplia gama de viscosidades. Por ejemplo, se utilizan disolventes con buena solvencia y polímeros de bajo peso molecular para obtener baja viscosidad y flujo aceptable en recubrimientos pulverizables con alto contenido de sólidos. Incluso algunos adhesivos termofusibles 100 % sólidos tienen una viscosidad casi similar al agua durante el procesamiento a las temperaturas adecuadas. Por el contrario, una formulación en gel que contenga sólo un 5 % de sólidos puede no poder verterse y comportarse como un semisólido.

Por lo tanto, la selección del mezclador generalmente está dictada por la viscosidad más que por el porcentaje de sólidos. La viscosidad inicial del solvente o base líquida, la viscosidad máxima alcanzada por la mezcla durante el procesamiento y la viscosidad final del producto final (si es diferente de la viscosidad máxima) son consideraciones vitales que deben compartirse con el fabricante de su mezclador.

Mezcladores de un solo eje Los mezcladores convencionales de un solo eje, como las hélices y las turbinas, pueden ser capaces de preparar formulaciones con alto contenido de sólidos en el rango de baja viscosidad. Se trata de máquinas económicas adecuadas para sólidos que se incorporan fácilmente al líquido con sólo una suave agitación o acción de agitación. Sin embargo, para los sólidos que resisten la impregnación, por ejemplo los polvos hidrófobos añadidos al agua, los agitadores de baja velocidad se vuelven muy ineficaces. Para acelerar la dispersión o disolución de dichos sólidos, los dispositivos de mayor energía, como los dispersores de dientes de sierra y los mezcladores de rotor/estator, permiten tiempos de entrega más cortos.

Al funcionar a velocidades máximas de alrededor de 5000 pies/min, un dispersor estilo disco de dientes de sierra correctamente diseñado crea un flujo vigoroso dentro del recipiente de mezcla. Genera un vórtice en el que se pueden agregar sólidos para una rápida incorporación al lote. Los dispersores se utilizan normalmente en aplicaciones de hasta aproximadamente 50.000 cP de viscosidad.

En comparación, un mezclador de rotor/estator normalmente presenta un rotor de cuatro palas que funciona a velocidades punta en el rango de 3000-4000 pies/min dentro de un estator fijo de tolerancia estrecha. Este tipo de dispositivo crea cizallamiento mecánico e hidráulico al aspirar continuamente producto hacia el rotor y expulsarlo radialmente a través de las aberturas del estator. Debido a la restricción proporcionada por el estator, este mezclador ofrece mayor cizallamiento pero menos capacidad de bombeo que una cuchilla dispersora de dientes de sierra de disco abierto. Por la misma razón, su límite de viscosidad es más bajo: alrededor de 10.000 a 20.000 cP. El mezclador de rotor/estator está disponible en diseños por lotes y en línea.Sistemas de inducción de polvoCuando es necesario agregar grandes cantidades de polvos a granel, o cuando los sólidos difíciles de dispersar tardan demasiado en humedecerse por completo incluso con una cuchilla de alta velocidad, vale la pena considerar un mezclador con capacidad de inyección de polvo incorporada.

En los sistemas de inyección de polvo anteriores, una bomba impulsaba la corriente de líquido hacia un eductor, creando un vacío. Los polvos alimentados a través de un tubo superior serían aspirados por este vacío hacia el eductor donde se unía al flujo de líquido. La 'premezcla' resultante pasó a un mezclador de rotor/estator que luego aplicó acción de corte y mezcla, rompiendo los aglomerados y transportando la mezcla aguas abajo. En su día, este sistema ofreció una herramienta útil para la inducción de polvo. El sistema en línea eliminó el problema de los sólidos flotantes de los sistemas por lotes y ofreció un control más preciso sobre el proceso de mezcla. Pero esta configuración también presentaba algunas limitaciones serias. Con tres dispositivos separados en serie, el mantenimiento (en términos de mano de obra, experiencia requerida y repuestos) era intensivo. Equilibrar el rendimiento de la bomba, el educador y el mezclador a menudo era difícil y, en muchas aplicaciones, el tiempo de inactividad era bastante elevado.

Los mezcladores de rotor/estator en línea actuales con capacidad integral de inyección de polvo tienen un diseño más fácil de usar para el operador y requieren poco mantenimiento. Estos mezcladores de alto cizallamiento de nueva generación ya no requieren el uso de bombas centrífugas o eductores para crear la succión para la inyección de polvo. Los niveles de cizallamiento son comparables a los de un rotor/estator estándar, pero la capacidad del mezclador para combinar sólidos y líquidos justo en la región donde tiene lugar la mezcla intensa tiene un impacto significativo en la calidad de la dispersión. Además, elimina la necesidad de agregar polvos directamente al tanque, lo que podría representar un problema de seguridad y de polvo. El manejo de materiales se simplifica porque el mezclador en línea se instala al nivel del piso y los polvos se agregan a una altura más práctica, justo encima del mezclador. Los operadores ya no tienen que subir a los entrepisos cargando pesados ​​sacos de pólvora. Las aplicaciones de muestra incluyen suspensiones de hidróxido de magnesio con hasta un 65 % de carga y dispersiones de pigmentos de dióxido de titanio que contienen un 70 % de sólidos.

Consulte la Figura 1. Cómo funciona un mezclador por inducción de polvo: la corriente de líquido (azul) ingresa al mezclador e inmediatamente encuentra la adición de polvo. Aspirados por un potente vacío, se inyectan polvos que fluyen libremente (amarillos) en el líquido y se mezclan instantáneamente con un alto cizallamiento. La dispersión resultante (verde) se expulsa centrífugamente a través de las aberturas del estator a alta velocidad.

Mezcladores de ejes múltiples Los productos que sufren cambios de viscosidad que superan los 50.000 cP normalmente se dosifican en mezcladores de múltiples ejes. Las configuraciones más comunes incluyen dispersores y rotor/estatores utilizados en combinación con un agitador de ancla de baja velocidad. El agitador de ancla ayuda a intercambiar materiales de diferentes partes del recipiente, esencialmente “alimentando” los dispositivos de alta velocidad con producto que de otro modo no fluiría hacia él. Las alas del agitador de ancla también incluyen normalmente raspadores ajustables para limpiar el fondo y las paredes laterales del recipiente. Esto garantiza un control de temperatura más estricto además de una mayor rotación del producto.

Aparte de la capacidad ampliada de los mezcladores de ejes múltiples desde el punto de vista de la viscosidad, otra ventaja del diseño es que son sistemas cerrados que ofrecen el beneficio del mezclado al vacío. Cuando se procesan al vacío, ciertas formulaciones desarrollan mejores propiedades como resultado de un mejor cizallamiento y contacto de los diferentes componentes.

Con sus agitadores de accionamiento independiente, un mezclador de ejes múltiples es muy versátil para procesar pastas y suspensiones altamente cargadas con un amplio perfil de viscosidad desde el principio hasta el final del ciclo de dosificación. Las aplicaciones de muestra incluyen: lociones de protección solar; adhesivos termofusibles; revestimientos con bajo contenido de COV; Masillas para madera, lechadas y compuestos de calafateo con alto contenido de sólidos.

Consulte la Figura 2. Configuración del mezclador de triple eje que consta de un ancla de tres alas, un eje de alta velocidad con dos palas dispersoras y un rotor de cuatro palas dentro de un cabezal de estator ranurado.

Mezcladores planetarios A medida que la viscosidad aumenta cada vez más, acercándose a 500.000 cP aproximadamente, dependiendo de qué tan resbaladizo o pegajoso se comporte el producto, la rotación dentro de un mezclador de múltiples ejes eventualmente comenzará a verse afectada y afectará la eficiencia de la mezcla. Si los motores no se sobrecargan, puede ocurrir un sobrecalentamiento localizado alrededor de la paleta del dispersor de alta velocidad, o el agitador del ancla comenzará a abrirse camino a través del lote viscoso. La solución lógica es utilizar un conjunto de agitadores que se mueven a través del lote independientemente del flujo del producto. Este es el punto fuerte de los mezcladores planetarios. En un mezclador planetario, dos o más palas giran sobre sus propios ejes mientras orbitan alrededor de un eje común. Los mezcladores planetarios dobles modernos equipados con paletas helicoidales ahora pueden manejar viscosidades de hasta 6 millones de cP o más. También hay mezcladores planetarios híbridos que consisten en un agitador planetario y una paleta dispersora de alta velocidad que giran sobre sus propios ejes mientras orbitan la nave. A medida que ambos agitadores avanzan constantemente hacia el lote y el producto fresco, cualquier acumulación de calor se distribuye uniformemente. Los sólidos se incorporan rápidamente a una base líquida viscosa y los aglomerados rebeldes se dispersan incluso cuando el lote apenas "fluye". Los niveles de cizallamiento y los patrones de flujo se ajustan fácilmente porque los agitadores se controlan individualmente. Las aplicaciones de muestra incluyen compuestos dentales, tintas de película gruesa, dispersiones de pigmentos en cera, selladores de silicona con alto contenido de relleno y soluciones poliméricas.

Consulte la Figura 3. Un mezclador planetario híbrido equipado con un dispersor de alta velocidad y un agitador planetario helicoidal. Después de mezclar, el recipiente se hace rodar hasta la estación de descarga. Se baja hidráulicamente una placa al interior del recipiente, lo que fuerza al producto a salir y entrar en cubos colocados debajo de la plataforma elevada.

Mezcladores de cuchillas Sigma Los materiales extremadamente viscosos se procesan en amasadoras, también llamadas mezcladoras de paletas sigma de doble brazo. Se trata de mezcladores horizontales compuestos por dos palas en forma de Z que giran entre sí a velocidades diferenciales. Las cuchillas pasan por las paredes de la artesa y entre sí con espacios reducidos, proporcionando una acción de corte y desgarro sobre el producto. Luego se inclina la cubeta del mezclador para descargar el producto terminado. Las amasadoras extrusoras combinan la eficiencia de una mezcladora convencional de paletas sigma de doble brazo con la conveniencia de un tornillo de extrusión para descargar materiales pesados ​​y viscosos. El tornillo de descarga está ubicado en una cavidad separada justo debajo de las paletas en Z y ayuda a alimentar el material del lote hacia las paletas mezcladoras. Cuando se completa el ciclo de mezclado/amasado, la rotación del tornillo se invierte para extruir el producto a través de una abertura de descarga o matriz. Las aplicaciones de muestra incluyen materiales para juntas de alta temperatura, mezclas de mortero, selladores de masilla, compuestos de caucho y masterbatches.

Christine Banaszek es gerente de ventas de Charles Ross & Son Co. (Hauppauge, Nueva York), fabricante de equipos especiales para mezclar y combinar. Para obtener más información, visite www.mixers.com.

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