Por que o volume vem em primeiro lugar e a potência do motor em último?
A potência do motor descreve o acionamento. Ela indica a quantidade de trabalho que a máquina pode realizar por hora, não a eficiência da dispersão. Duas máquinas com potência nominal de 1,1 kW podem apresentar comportamentos completamente diferentes no mesmo béquer se uma utilizar um disco de 100 mm e a outra um disco de 150 mm, porque o cisalhamento é gerado na borda do disco e não no eixo.
O volume entra em jogo antes de qualquer um desses fatores, pois define a geometria que se encaixa fisicamente. Um disco de 150 mm não pode ser imerso em um béquer de 250 mL: a parede do recipiente fica muito próxima da borda, o vórtice sobe pela lateral e a amostra é expelida em vez de circular. A regra prática usada na produção é que o diâmetro do disco deve ser aproximadamente um terço do diâmetro do recipiente, razão pela qual uma amostra pequena exige uma pequena coluna de fluido, e uma pequena coluna limita a força de cisalhamento que se pode alcançar.
A mesma lógica se aplica na outra extremidade. Em um lote de 60 L, um disco de 100 mm é pequeno demais para misturar todo o volume, então a camada superior permanece parada enquanto a inferior sofre cisalhamento excessivo. Nenhum dos dois casos consta na ficha técnica e ambos desperdiçam uma semana de testes.
As três máquinas de bancada e o que cada uma realmente faz.
Três famílias de máquinas abrangem quase todo o trabalho de bancada e não são intercambiáveis. O que as diferencia é o mecanismo que fornece energia ao produto.
Homogeneizador rotor-estator: tamanho das gotículas e dissolução
Um rotor gira dentro de uma tela de estator fixa com uma pequena folga, aspirando o produto axialmente e expelindo-o através das ranhuras. O cisalhamento na folga, somado às passagens repetidas pela tela, reduz o tamanho das gotículas e quebra os aglomerados sólidos. Esta é a ferramenta ideal para emulsões, para umedecer pós em um veículo e para dissolver grânulos de polímero. Na linha POLYC, a série PSL/PSF abrange volumes de 10 mL a 10 L com estatores intercambiáveis de 10 a 70 mm.
Dispersor de disco Cowles: umectação, em volume piloto
Um disco serrilhado gira rápido o suficiente para criar um vórtice que transporta o pó da superfície para a zona de cisalhamento nos dentes. Ele não reduz o tamanho das partículas; em vez disso, separa os aglomerados em partículas primárias e as umedece. Este é o equipamento essencial para a formulação de tintas e vernizes, e a série BPF-H abrange a faixa de 5 a 80 litros com discos de 100 a 150 mm em uma coluna contrabalançada.
Moinho de cestos: redução real do tamanho das partículas
A cesta contém uma carga de pequenas esferas atrás de uma tela de retenção, e um impulsor dentro da cesta circula a mistura através do leito de partículas. Como o mesmo líquido passa pelo leito diversas vezes, o tempo de moagem torna-se a variável de controle, permitindo que mesmo uma mistura com menos de um litro atinja a granulometria desejada. O PZM-L cobre volumes de 0,5 a 2,5 L com partículas de zircônia de 1,6 a 2,2 mm.
Um laboratório que compra apenas uma máquina geralmente compra o dispersor, por ser o mais barato e o que oferece maior tolerância a erros. Já um laboratório que compara formulações geralmente acaba optando por um dispersor e um moinho, pois comparar duas pastas de pigmento apenas com base na qualidade da dispersão não permite determinar qual delas atenderá às especificações de finura.
A velocidade de transferência é o número que varia entre as máquinas.
A rotação por minuto (rpm) por si só não significa nada, porque a mesma rotação em um diâmetro diferente resulta em uma velocidade periférica diferente. O número que se mantém constante entre máquinas e escalas é a velocidade da ponta, calculada a partir do diâmetro e da velocidade:
v = π × D × n / 60, onde D é o diâmetro do disco ou estator em metros e n é a velocidade do eixo em rpm, resultando em v em metros por segundo.
Aplicando-se as velocidades e diâmetros publicados das três famílias acima, as diferenças são maiores do que as especificações dos motores sugerem. Esses valores são calculados a partir da velocidade e do diâmetro do catálogo, não medidos:
| Máquina e cabeçote | Diâmetro | Velocidade | Velocidade da ponta |
|---|---|---|---|
| PSL-I em velocidade máxima | Φ18 mm | 2.200 rpm | aproximadamente 2,1 m/s |
| PSF-II em velocidade máxima | Φ70 mm | 11.000 rpm | cerca de 40 m/s |
| BPF-H-1.1, disco pequeno | Φ100 mm | 3.000 rpm | aproximadamente 15,7 m/s |
| BPF-H-2.2, disco grande | Φ150 mm | 3.000 rpm | aproximadamente 23,6 m/s |
| BPF-H-2.2, disco grande em velocidade reduzida | Φ150 mm | 1.500 rpm | aproximadamente 11,8 m/s |
Calculado a partir dos diâmetros e faixas de velocidade do catálogo. A velocidade de ponta de trabalho real é definida pelo produto e pelo recipiente, não pela velocidade máxima que o acionamento pode atingir.
A consequência para um relatório de teste é simples. Registrar "funcionou a 1.800 rpm" não é uma especificação, pois não indica qual máquina ou qual disco. Registrar a velocidade da ponta, ou a rotação juntamente com o diâmetro do disco, é algo que um engenheiro de produção pode usar para tomar medidas.
Ajustando a faixa de volume à máquina
A tabela abaixo representa a decisão que a maioria dos laboratórios enfrenta: qual máquina é capaz de atender aos volumes que chegam à bancada. Quando duas máquinas se sobrepõem, o critério de desempate é a capacidade de produção necessária, e não o volume.
| Volume da amostra | Máquina que se encaixa | O que fará e o que não fará |
|---|---|---|
| 10 – 300 mL | Homogeneizador rotor-estator, cabeçote de 10 a 18 mm | Emulsiona e umedece em microvolumes. Não comporta material suficiente para moagem, e um disco dispersor de tamanho adequado não cabe no recipiente. |
| 300 mL – 2 L | Homogeneizador rotor-estator, cabeçote de 70 mm | Emulsões finas e dissolução de sólidos com a maior velocidade de ponta das três famílias. A incorporação de pós em uma pasta viscosa é lenta. |
| 0,5 – 2,5 L, meta de finura | Moinho de cestos de laboratório | Moagem realizada no mesmo recipiente em que foi misturado, com granulometria de 1,6 a 2,2 mm. Classificação de aproximadamente 5.000 cP; não é uma máquina para alta viscosidade. |
| 5 – 30 L | Dispersor de laboratório, 1,1 kW | Umedecimento e pré-dispersão com volume piloto utilizando discos de 100 a 120 mm. Caso o objetivo seja uma granulometria fina, é necessária uma etapa subsequente de moagem. |
| 20 – 80 L | Dispersor de laboratório, 2,2 kW | Pequenas tiragens e tonalidades personalizadas com discos de 120 a 150 mm. A maior etapa de fabricação em bancada antes de um dispersor de produção adequado. |
Volumes e diâmetros das especificações publicadas nas páginas PSL/PSF, PZM-L e BPF-H.
Quando uma máquina de bancada para de funcionar
Toda geometria tem um limite, e esses limites não são iguais. Conhecê-los antecipadamente é o que impede que um projeto precise comprar uma segunda máquina três meses depois.
- Limite de viscosidadeO moinho de cestos de laboratório tem uma classificação de aproximadamente 5.000 cP. Assim que a circulação através do leito de meio filtrante cessa, a moagem para efetivamente, mesmo que o eixo ainda esteja girando.
- Colapso do vórticeUm disco Cowles precisa girar rápido o suficiente para puxar o pó da superfície. Em uma pasta espessa, o vórtice não se forma, e aumentar a velocidade apenas aumenta o calor e a entrada de ar.
- Comprimento do eixo em uma máquina de pisoUm dispersor de bancada possui um eixo curto e rígido. Ao dimensionar o mesmo projeto para um recipiente de 600 litros, obtém-se um eixo mais longo, maior excentricidade e uma frequência natural que o acionamento precisa evitar — razão pela qual máquinas de grande porte utilizam projetos de estrutura diferentes em vez de colunas mais longas.
- retenção de mídiaEsferas menores proporcionam uma moagem mais fina, mas a tela de retenção precisa ser capaz de comportá-las. O tamanho das esferas e a tela são uma decisão conjunta, não duas.
Acima desses limites, a resposta correta é uma família de máquinas diferente, em vez de uma versão maior da mesma: um misturador planetário ou de eixo duplo para produtos de alta viscosidade e um moinho de esferas horizontal ou vertical para moagem fina contínua em volume de produção.
A questão das pérolas: quando um dispersor não é suficiente
A distinção que define a maioria dos orçamentos de equipamentos é entre dispersão e moagem, e essa distinção é frequentemente confundida tanto por fornecedores quanto por compradores.
Um dispersor separa aglomerados nas partículas primárias que eles já contêm. Se o pigmento chegar como aglomerados de 20 µm compostos por cristais de 0,2 µm, um dispersor pode liberar os cristais e estabilizá-los, e a finura resultante será a finura da matéria-prima. Um moinho de mídia vai além: ele reduz a própria partícula primária, que é a única maneira de atingir um resultado que a matéria-prima ainda não possui.
Na prática, as duas etapas são sequenciais. A pré-dispersão coloca o pó no veículo e remove o ar; a moagem, em seguida, reduz o tamanho das partículas. A energia gasta na primeira etapa não é desperdiçada, pois o pó pouco umedecido não pode ser moído eficientemente — os elementos de contato deslizam sobre aglomerados que ainda estão envoltos em ar, em vez de quebrá-los.
Em um moinho de bancada, o tamanho das partículas é o principal fator que influencia o resultado, enquanto a peneira de retenção é a limitação. Uma carga de 1,6 a 1,8 mm no modelo menor proporciona mais pontos de contato e uma distribuição mais fina; já no modelo maior, uma carga de 1,8 a 2,2 mm gera mais energia por contato e é adequada para uma alimentação mais grossa. Nenhum desses fatores substitui a necessidade de um tempo de operação adequado, e o tempo é a variável que deve ser registrada para que o resultado seja reproduzido.
Quatro suposições que custam uma semana de testes
- Mais rotações por minuto significam melhor dispersão.Acima da velocidade que forma um vórtice adequado, a energia extra se transforma principalmente em calor, arraste de ar e desgaste. A velocidade da ponta na borda é o valor útil.
- Que um lote com aparência homogênea é, na verdade, um lote disperso.Um lote pode parecer uniforme e ainda assim conter aglomerados que se manifestarão posteriormente como uma leitura de moagem, uma diferença de brilho ou um bloqueio de filtração. A verificação é uma medição de finura, não visual.
- Que um resultado de bancada se transfere para a mesma rotação por minuto (rpm).Um disco maior, operando na mesma rotação, gera uma velocidade periférica maior, e a mesma potência distribuída por um volume maior resulta em menos energia por litro. Considerando a velocidade periférica e a relação entre o disco e o tanque, o tempo de processamento do lote pode variar.
- Qualquer tamanho de miçanga funciona se você usar uma por tempo suficiente.A tela de retenção define o limite mínimo para o tamanho das partículas, e uma mídia muito fina para uma alimentação grossa não consegue quebrar a alimentação. O tamanho das partículas segue o alvo e a tela, e não o contrário.
Registrar três números para cada teste — volume, velocidade da ponta e tempo — não custa nada e elimina grande parte da ambiguidade quando o resultado precisa ser repetido ou transferido.
Informe-nos o volume e o público-alvo.
Envie o volume da amostra, a viscosidade do produto e o que o lote precisa atingir — tamanho de gota, dissolução ou granulometria. Nossos engenheiros indicarão a geometria ideal, inclusive quando a resposta for uma máquina que não precisamos vender para essa etapa.
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Onde as máquinas de bancada são construídas
A gama de equipamentos para laboratório é fabricada na mesma fábrica que as máquinas de produção para as quais é adaptada, razão pela qual os diâmetros, velocidades e tamanhos de meios de cultura numa unidade de bancada correspondem aos valores reais de uma unidade de produção, em vez de a um projeto separado para máquinas de pequena escala.
