Por qué el volumen es lo primero y la potencia del motor lo último.
La potencia del motor describe el accionamiento. Indica cuánto trabajo puede realizar la máquina por hora, no su capacidad de distribución. Dos máquinas con una potencia nominal de 1,1 kW pueden comportarse de forma completamente diferente en el mismo recipiente si una transporta un disco de 100 mm y la otra uno de 150 mm, debido a que la fuerza de corte se genera en el borde del disco y no en el eje.
El volumen entra en juego antes que cualquiera de esos factores, ya que define la geometría que se ajusta físicamente. Un disco de 150 mm no puede sumergirse en un vaso de precipitados de 250 ml: la pared del recipiente queda demasiado cerca del borde, el vórtice sube por la pared y la muestra se desecha en lugar de circular. La regla práctica que se utiliza en el taller es que el diámetro del disco debe ser aproximadamente un tercio del diámetro del recipiente, razón por la cual una muestra pequeña genera una pequeña columna de agua y una pequeña columna limita la fuerza de cizallamiento que se puede alcanzar.
La misma lógica se aplica en el otro extremo. En un lote de 60 litros, un disco de 100 mm es demasiado pequeño para voltear todo el volumen, por lo que la capa superior permanece inmóvil mientras que la inferior se somete a un corte excesivo. Ninguno de estos casos aparece en la hoja de especificaciones, y ambos suponen una pérdida de una semana de pruebas.
Las tres máquinas de banco y lo que hace cada una.
Existen tres familias de máquinas que abarcan prácticamente todo el trabajo de banco, y no son intercambiables. Lo que las diferencia es el mecanismo que aplica energía al producto.
Homogeneizador rotor-estator: tamaño de gota y disolución
Un rotor gira dentro de una rejilla fija con una pequeña holgura, aspirando el producto axialmente y expulsándolo a través de las ranuras. La cizalladura en el espacio, junto con las pasadas repetidas a través de la rejilla, reduce el tamaño de las gotas y disuelve los cúmulos sólidos. Esta es la herramienta idónea para emulsiones, para humectar polvos en un vehículo y para disolver gránulos de polímero. En la gama POLYC, la serie PSL/PSF abarca desde 10 mL hasta 10 L con estatores intercambiables de 10 a 70 mm.
Dispersor de discos Cowles: humectación, a volumen piloto
Un disco dentado gira lo suficientemente rápido como para generar un vórtice que arrastra el polvo desde la superficie hasta la zona de cizallamiento entre los dientes. No reduce el tamaño de las partículas; separa los aglomerados en partículas primarias y las humedece. Este es el elemento fundamental en la formulación de pinturas y tintas, y la serie BPF-H cubre el rango de 5 a 80 L con discos de 100 a 150 mm en una columna contrabalanceada.
Molino de cesta: reducción real del tamaño de partícula
La cesta contiene una carga de pequeñas perlas detrás de una rejilla de retención, y un impulsor en su interior hace circular el líquido a través del lecho de partículas. Dado que el mismo líquido pasa repetidamente por el lecho, el tiempo de molienda se convierte en la variable de control, y aun así se puede lograr una finura óptima con un volumen inferior a un litro. El PZM-L tiene una capacidad de 0,5 a 2,5 L y utiliza partículas de zirconia de 1,6 a 2,2 mm.
Un laboratorio que solo compra una máquina suele adquirir el dispersor, ya que es el más económico y el más fácil de usar. Un laboratorio que compara formulaciones generalmente termina con un dispersor y un molino, porque comparar dos pastas de pigmento únicamente en función de la calidad de dispersión no permite determinar cuál cumplirá con la especificación de finura.
La velocidad de punta es el número que se transfiere entre máquinas.
Las rpm por sí solas no significan nada, porque las mismas rpm en un diámetro diferente dan como resultado una velocidad de borde diferente. El valor que se mantiene en todas las máquinas y básculas es la velocidad de punta, calculada a partir del diámetro y la velocidad:
v = π × D × n / 60donde D es el diámetro del disco o estator en metros y n es la velocidad del eje en rpm, lo que da como resultado v en metros por segundo.
Aplicadas a las velocidades y diámetros publicados de las tres familias mencionadas anteriormente, las diferencias son mayores de lo que sugieren las especificaciones del motor. Estas cifras se calculan a partir de la velocidad y el diámetro indicados en el catálogo, no se han medido.
| Máquina y cabezal | Diámetro | Velocidad | Velocidad de punta |
|---|---|---|---|
| PSL-I a velocidad máxima | Φ18 mm | 2200 rpm | aproximadamente 2,1 m/s |
| PSF-II a máxima velocidad | Φ70 mm | 11.000 rpm | aproximadamente 40 m/s |
| BPF-H-1.1, disco pequeño | Φ100 mm | 3000 rpm | aproximadamente 15,7 m/s |
| BPF-H-2.2, disco grande | Φ150 mm | 3000 rpm | aproximadamente 23,6 m/s |
| BPF-H-2.2, disco grande a velocidad reducida | Φ150 mm | 1.500 rpm | aproximadamente 11,8 m/s |
Calculado a partir de los diámetros y rangos de velocidad del catálogo. La velocidad real de la punta de trabajo viene determinada por el producto y la embarcación, no por la velocidad máxima que puede alcanzar el accionamiento.
La consecuencia para un informe de prueba es sencilla. Registrar "funcionó a 1800 rpm" no es una especificación, ya que no indica qué máquina ni qué disco se utilizó. Registrar la velocidad de la punta, o las rpm junto con el diámetro del disco, es información que un ingeniero de producción puede utilizar.
Ajuste de la banda de volumen a la máquina
La tabla que aparece a continuación muestra la decisión a la que se enfrentan la mayoría de los laboratorios: qué máquina procesa mejor los volúmenes que llegan a la mesa de trabajo. En caso de que dos máquinas coincidan, el criterio de desempate es la producción necesaria, no el volumen.
| Volumen de muestra | Máquina que encaja | Lo que hará y lo que no hará |
|---|---|---|
| 10 – 300 ml | Homogeneizador rotor-estator, cabezal de 10 a 18 mm | Emulsiona y humedece a microvolumen. No puede contener suficiente material para moler, y un disco dispersor de tamaño útil no cabe en el recipiente. |
| 300 ml – 2 L | Homogeneizador rotor-estator, cabezal de 70 mm | Emulsiones finas y disolución de sólidos con la mayor velocidad de punta de las tres familias. La incorporación de polvos en una pasta viscosa es lenta. |
| 0,5 – 2,5 L, finura objetivo | Molino de cestas de laboratorio | Muele en el mismo recipiente en el que se mezcló, con un medio abrasivo de 1,6 a 2,2 mm. Soporta hasta aproximadamente 5000 cP; no es una máquina para alta viscosidad. |
| 5 – 30 L | Dispersor de laboratorio, 1,1 kW | Humectación y predispersión de un volumen piloto con discos de 100 a 120 mm. Se requiere una etapa de molienda posterior si se busca una finura específica. |
| 20 – 80 L | Dispersor de laboratorio, 2,2 kW | Pequeñas series de producción y tonalidades personalizadas con discos de 120 a 150 mm. El paso más importante en el proceso de fabricación antes de un dispersor de producción adecuado. |
Volúmenes y diámetros según las especificaciones publicadas en las páginas PSL/PSF, PZM-L y BPF-H.
Dónde deja de funcionar una máquina de banco
Cada geometría tiene un límite, y estos límites no son los mismos. Conocerlos de antemano es lo que evita que un proyecto tenga que comprar una segunda máquina tres meses después.
- Límite de viscosidadEl molino de cesta de laboratorio tiene una capacidad nominal de aproximadamente 5000 cP. Una vez que la circulación a través del lecho de material disminuye, la molienda se detiene efectivamente aunque el eje siga girando.
- Colapso de vórticeUn disco Cowles necesita girar lo suficientemente rápido como para arrastrar el polvo desde la superficie. En una pasta espesa, el vórtice no se forma, y aumentar la velocidad solo añade calor y aire.
- Longitud del eje en una máquina de pisoUn dispersor de sobremesa tiene un eje corto y rígido. Adaptar el mismo diseño a un recipiente de 600 litros implica un eje más largo, mayor desviación y una frecuencia natural que el accionamiento debe evitar; por eso, las máquinas grandes utilizan diseños de bastidor diferentes en lugar de columnas más largas.
- retención de mediosLas perlas más pequeñas dan como resultado una molienda más fina, pero la malla de retención debe poder sujetarlas. El tamaño de las perlas y la malla son una sola decisión, no dos.
Por encima de estos límites, la respuesta correcta es una familia de máquinas diferente, en lugar de una versión más grande de la misma: una mezcladora planetaria o de doble eje para productos de alta viscosidad, y un molino de perlas horizontal o vertical para la molienda fina continua a volumen de producción.
La cuestión de las perlas: cuando un dispersor no es suficiente
La distinción que suele determinar la mayoría de los presupuestos para equipos radica en la diferencia entre dispersión y molienda, una distinción que habitualmente confunden tanto los proveedores como los compradores.
Un dispersor separa los aglomerados en las partículas primarias que ya contienen. Si el pigmento llega en forma de cúmulos de 20 µm formados por cristales de 0,2 µm, un dispersor puede liberar y estabilizar los cristales, y la finura resultante es la misma que la de la materia prima. Un molino de medios va más allá: reduce la partícula primaria, que es la única forma de alcanzar una finura que la materia prima no posee de forma natural.
En la práctica, los dos pasos son secuenciales. La predispersión introduce el polvo en el vehículo y elimina el aire; a continuación, la molienda reduce el tamaño de las partículas. La energía empleada en el primer paso no se desperdicia, ya que un polvo poco humedecido no se puede moler de forma eficiente: los contactos del medio se deslizan sobre los aglomerados que aún están recubiertos de aire en lugar de romperlos.
En un molino de banco, el tamaño de las perlas es el factor principal que influye en el resultado, mientras que la malla de retención es la limitación. Una carga de 1,6 a 1,8 mm en el modelo más pequeño proporciona más puntos de contacto y una distribución más fina; de 1,8 a 2,2 mm en el modelo más grande transmite más energía por contacto y es adecuada para una alimentación más gruesa. Ninguna de estas opciones sustituye el tiempo de molienda suficiente, y el tiempo es la variable que debe registrarse para poder reproducir el resultado.
Cuatro suposiciones que costaron una semana de ensayos clínicos
- Más rpm significa mejor dispersiónPor encima de la velocidad que forma un vórtice adecuado, la energía sobrante se convierte principalmente en calor, arrastre de aire y desgaste. La velocidad de la punta en el borde es el valor útil.
- Que un lote de aspecto uniforme es un lote dispersoUn lote puede parecer uniforme y aun así contener aglomerados que se manifestarán posteriormente como una lectura de molienda, una diferencia de brillo o una obstrucción en la filtración. La comprobación es una medición de finura, no una evaluación visual.
- Que un resultado de banco se transfiera a las mismas rpmUn disco más grande, a las mismas revoluciones por minuto, alcanza una mayor velocidad de punta, y la misma potencia distribuida en un mayor volumen consume menos energía por litro. Si se modifican la velocidad de punta y la relación disco-tanque, el tiempo de procesamiento por lote también variará.
- Que cualquier tamaño de cuenta funciona si corres lo suficientemente largoLa malla de retención determina el tamaño mínimo de las perlas, y los materiales demasiado finos para una alimentación gruesa no pueden interrumpirla en absoluto. El tamaño de las perlas se ajusta al tamaño objetivo y a la malla, no al revés.
Registrar tres datos por cada prueba (volumen, velocidad de la punta y tiempo) no cuesta nada y elimina la mayor parte de la ambigüedad cuando hay que repetir o transferir el resultado.
Indíquenos el volumen y el objetivo.
Indique el volumen de la muestra, la viscosidad del producto y el objetivo del lote: tamaño de gota, disolución o finura. Nuestros ingenieros le indicarán la geometría adecuada, incluso si no es necesario venderle una máquina para ese paso.
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Dónde se fabrican las máquinas de banco
La gama de laboratorio se fabrica en la misma planta que las máquinas de producción a las que sirve de base, razón por la cual los diámetros, las velocidades y los tamaños de los materiales en una unidad de sobremesa se corresponden con las cifras reales de una unidad de producción, en lugar de con el diseño de una máquina pequeña independiente.
