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剪切式均质机的结构与理论研究

剪切式均质技术作为一种新型微米技术, 已广泛应用于食品、医药、轻化、微生物等诸多行业, 并得到迅速发展, 已成为这些行业中对有关流体、半流体产品提高产品品质所必不可少的工艺过程。但由于剪切式均质机均质过程的复杂性和物料的流变多样性, 使得对剪切式均质机理和原理的研究很困难, 国内外相关文献也比较少。 为此, 笔者从剪切式均质机的国内外现状、机理与原理、关键结构及其发展等方面进行详述。
1 国内外研究现状
 
随着人们对均质乳化作用的不断认识和研究, 均质技术得到了迅猛的发展,相应地出现了多种不同形式的均质机,其中典型的有高压均质机、离心式均质
 
机 、胶体磨、超声波均质机和剪切式均质
 
机 。它们已在食品、制药、化妆品等行业
 
中得到广泛应用, 不同形式均质机的使用范围有所不同, 我们可以根据物料的浓度、粘度等特性的不同, 选择相应的均质设备。 高压均质机、离心式均质机、超声波均质机由于其结构复杂、成本高、能耗大、维修不方便等缺点, 使得它们的应用有一定的局限性。 近年来, 剪切式均质机, 又称高剪切均质泵[ 1] , 以其独特的剪切分散机理和低成本、超细化、高质量、高效率等优点在众多的工业领域中得到普遍应用, 并在某些领域逐渐地替代传统的均质机。
1.1 国外研究现状
 
国外早在 30 年代就生产并使用均质机且应用于工业生产。 目前, 已有美国、日本、德国等 10 多个国家生产均质机。剪切式均质机作为均质机械中的佼佼者, 也被广泛地认识和研究。 自从1948 年德国 F LU KO 公司**发明了应用高剪切原理制成分散乳化设备, 高剪切分散乳化设备已经出现了多种系列产品, 在世界均质机械行业处于**地位。 近 40 年来, 国外, 特别是欧洲一些国家在高剪切分散均质机行业得到迅速发展, 并在很多领域发挥着重大作用, 如化妆品、制药、食品、涂料、粘合剂等。 国外所研制的剪切式均质设备基本上是采用定 -转子型结构作为均质头, 在电机
 
的高速驱动下(3 000 ~ 10 000 r/min),
 
物料在转子与定子之间的间隙内高速运动, 形成强烈的液力剪切和湍流, 使物料在同时产生的离心、挤压、碰撞等综合作用力的协调作用下[ 2] , 得到充分的分散、乳化、破碎, 达到要求的效果。 美国和德国在剪切式均质机的研究和开发方面都取得了显著进展。 如美国 IKA -
 
W ERK E G MHB CO .KG 生产的多系列分散均质设备;美国 RO SS 公司研制的高剪切混合乳化机;德国 IK A -
M ASCHIN ENBA U 公司研制的 U LT RA
 
分散机;德国 YST RA L 公司生产的 X40 型分散搅拌机;德国 F LU KO 公司研制的系列高剪切分散乳化机、管线式高剪切分散乳化机、管式分散乳化机、间歇式高剪切与间歇式无轴承分散乳化机、高效强力分散乳化机等**高科技产品。
1.2 国内研究现状
 
我国的均质机研制并生产是从 50 年代个别厂家开始的, **早是上海烟草机械厂仿制美国产品, 直到 80 年代才开始逐渐地生产均质机, 而且大多是传统的高压均质设备。 随着国外剪切式均质机的迅速发展, 近年来, 国内许多科研人员、制造和使用厂家也开始重视对剪切式均质机的研制工作。 目前, 已建立了与国外厂商联营、合资研制生产剪式均设备总厂、上海威宇机电制造有限公司、上海市化工装备研究所生产的集混合、分散、乳化、溶解、粉碎等功能为一体的系列剪切式均质机, 但由于缺乏对均质理论的深入探讨和理论分析、研究, 使得设计的产品与国际先进产品的差距较大。
2 理论研究
 
2.1 均质乳化的机理
 
物料(液体物料)分散系中分散相颗粒或液滴破碎的直接原因是受到剪切力和压力(粘性力和惯性力)的作用[ 3] 。 引起剪切力和压力作用的剪切力和压力在不同的均质设备中有差别, 能引起剪切力和压力作用的具体流体力学效应主要有层流效应、湍流效应和空穴效应。 层
 
流(Laminar flow)效应会引起分散相颗粒或液滴受到剪切和拉长;湍流(T urbu-lent flow)效应是在压力波动作用下引起分散相颗粒或液滴的随意变形;气穴 (Air pocket)效应是形成的小气泡受到的破碎产生冲击波, 引起剧烈搅动。
2.2 剪切式均质机的工作原理
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 1  定—转子剪切式均质机原理图
 
剪切式均质机的主要工作原理是通
 
过机械作用迫使混合料液以很大的速度通过十分窄的间隙, 在流体力学效应的作用下 , 产生很大的剪切作用, 而使分散相颗粒或液滴破碎, 达到均质乳化目的[ 4] 。 **常用的剪切均质乳化设备是定min[ 5] 。
 
如图 1 所示定—转子剪切式均质机均质原理图。 物料从均质机内部空腔(a)处流进高剪切区(b), 此时将会使物料受到剪切、拉长(Elongation)。 一旦在高剪切区(b)处的流体近于单一型剪切,与此同时, 在(c)区流体将会继续受到剪切、拉长。 很明显, 剪切和拉长同时发生的区域可以运用流体相似性来研究定—转子间流体运动情况[ 6] 。 定子 S 、转子 R , 定—转子之间间隙为 h, 转子旋转转速为 v , 剪切速率 Y﹒(即速度梯度或剪切速率), 假设物料在层流情况下流动, 反映层流效应, 根据牛顿粘性定律可得[ 7] :
 
﹒Y = u   (1)
h
   
流体内所受剪切力ι可用(2)式表
示:  
ι=η·Y﹒ (2)
式中:ι—剪切应力(pa)  
 
η—粘度(pa·s)
 
由(1)(2)式可得到牛顿流体所受的
 
剪切应力ι:  
ηv (3)
ι=h
从式(3)中可知:流体受到剪切应力随着混合物粘度η的增加和转子速度 v 的增加及定—转子间间隙的减小而增大。对于非牛顿型流体, 由于流动的复杂多变性, 使得混合物所受的剪应力 ι 与由剪切力产生的剪切速率 Y﹒ 之间关系比较复杂, 一般使用表观粘度ηa :


如图 5 所示剪切式均质机定子结构示意图。(a)圆孔型:适合于高粘度物料的循环分散乳化;(b)网孔型:适用于低粘度精细乳液的制备及微小颗粒在液体中的迅速分散、细化;(c)开槽式长方孔型:适用于中高粘度物料的迅速分散、乳化;(d)长孔型:适用于中等或偏高粘度的物料混合分散;(e)倾斜长孔型:适用于含固形物料液的均质, 还可以根据粘度的大小改变长孔的倾斜角度。
 
如图 6 所示剪切式均质机转子结构示意图。(a)三叶桨式:适用于各种粘度的物料, 可根据不同物料选取[ 10] ;(b)梳状:适用于各种粘度的物料, 可根据物料粘度的大小调节梳状条之间距离;(c)蜗轮式:适用于各种粘度的物料, 可以根据物料粘度的不同设计满足不同粘度要求的蜗轮式转子。
 
定子和转子的结构有多种不同的形式, 剪切式均质机配有多种不同的定—转子均质头, 而且有单层与多层和单级与多级定—转子之分。定子、转子间间隙 h 的大小是保证这一空间的速度场和剪切力场的关键因素[ 11] 。 这些结构和主要参数的具体选取, 对物料均质过程中均质机理所
 
起的作用有什么不同、存在着什么关系, 目前一般是通过不断地实验进行检测、研制、开发或者运用假设进行机理分析、探讨, 导出剪切式均质的判断数据, 然后进行改进、研制出高效的均质机。
4 发展
 
剪切式均质机的发展历史并不长,自从 80 年代初欧美、日本等发达工业国家才广泛使用高剪切乳化设备[ 12] 。 由于剪切式均质机具有其独特的高剪切均质机理, 以及均质粒度小(可达 1 um 以下)、稳定性好、能耗低、对材质无特殊要求等特点, 在众多工业领域发挥着它的优越性, 并在近 20 年内, 得到迅猛发展。目前, 剪切式均质机发展的关键技术在于对几何要素、性能参数和流体动力学参数变化的研究, 并在理论上从流体力学、流体动力学、热力学等学科出发 , 进行系统研究, 分析均质过程中流体的压力场、速度场和温度场, 探讨流体所受的剪切和压力作用, 得出相关理论, 进而推动剪切式均质机的发展。 另外, 还应该研制出形式多样的剪切式均质机系列,以满足社会不同领域的广泛需求。
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