Процессы и аппараты химических технологий. Основные процессы и оборудование производства пигментов, суспензий и паст в лакокрасочной продукции

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ 
ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Москва
ИНФРА-М
2024

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Под редакцией В.И. Назарова

Д.А. МАКАРЕНКОВ
В.И. НАЗАРОВ
Е.А. БАРИНСКИЙ

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Государственное образовательное учреждение высшего 
профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 
подготовки 18.03.01 «Химические технологии» и 18.03.02 
«Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической 
технологии, нефтехимии и биотехнологии» (степень бакалавр)

ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ПИГМЕНТОВ, 

СУСПЕНЗИЙ И ПАСТ В ЛАКОКРАСОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

УДК 666.1.022.8
ББК 35.41
 
М15

 Макаренков Д.А. 
 Процессы и аппараты химических технологий. Основные процессы 
и оборудование производства пигментов, суспензий и паст 
в лакокрасочной промышленности : учебное пособие / 
Д.А. Макаренков, В.И. Назаров, В.И. Баринский; под ред. В.И. 
Назарова. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 211 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-011431-6 (print)
ISBN 978-5-16-103685-3 (online)

Изложены сведения о свойствах пигментов, дисперсных сред, суспензий и 
паст, используемых в технологии приготовления лакокрасочных материалов. 
Рассмотрены основные процессы получения лакокрасочных материалов. Приведены 
конструкции измельчающего, диспергирующего оборудования и способы интенсификации 
качества пигментов и лакокрасочных материалов. Рассмотрены особенности 
расчета процесса механоактивации в аппаратах барабанного типа.
Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы при подготовке 
к экзаменам и при выполнении курсовых и дипломных проектов бакалаврами и 
магистрами. Оно также может быть полезно инженерно-технических работникам 
лакокрасочной промышленности и смежных отраслей.

М15

УДК 666.1.022.8
ББК 35.41

© Макаренков Д.А., Назаров В.И., 
    Баринcкий Е.А., 2010, 2016 
ISBN 978-5-16-011431-6 (print)
ISBN 978-5-16-103685-3 (online)

Подписано в печать 09.10.2015.
Формат 60/16. Бумага офсетная.
Печать цифровая. Усл. печ. л. 13,18.  
ПТ 10 экз. 

ТК  449600-524388-091015

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие................................................................................5

Раздел 1. Классификация пигментов, суспензий, паст

и лакокрасочных материалов........................ 
 
8

Раздел 2. Краткие сведения о технологии приготовления

пигментированных лакокрасочных материалов.......20

Раздел 3. Реологические характеристики порошков, жидкостей,

суспензий и паст и модели реологических тел..........30

3.1. Основные реологические характеристики

и определения.............................. 
 
34

3.2. Реологические уравнения течения неньютоновских

материалов (псевдопластические и пластические), 
дисперсных сред, наполнителей и добавок............45

3.3. Особенности гранулирования порошковых

и зернистых сред с учетом их реологических свойств.... 53

Раздел 4. Теоретические основы диспергирования

в процессах подготовки пигментов, шихт и порошков....58

Раздел 5. Типовые конструкции измельчающего,

помольного и диспергирующего оборудования.......86

5.1. Конструкции дробилок.............................................89

5.2. Конструкции мельниц и схемы помольных установок,

вибрационные и струйные измельчители............... 99

5.3. Технологические и конструктивные особенности

диспергирования пигментов в жидкой среде.........111

5.4. Смесительное оборудование для сыпучих

и пастообразных материалов....................................133

Раздел 6. Конструкции перекачивающего оборудования

и их основные характеристики................................147

3

Раздел 7. Способы интенсификации качества пигментов 
и лакокрасочных материалов 
с помощью процессов механоактивации и ввода 
реологических добавок.............................................. 158

7.1. Применение поверхностно-активных

и реологических добавок........................................166

7.2. Особенности процесса механоактивации

дисперсных сред в физико-химических процессах 
(теоретические основы)............................................ 173

7.3. Практические аспекты процесса

механоактивации дисперсных сред..................... 183

7.4. Элементы расчета процесса механоактивации

в аппаратах барабанного типа и вибромашинах.. 192

Библиографический список........................................................210

Предисловие

Приготовление современных, качественных и конкурентоспособных наст и суспензий в первую очередь связано с использованием пигментов оптимального гранулометрического состава. Применение пигментированных лакокрасочных материалов 
(ЛКМ) различного назначения непрерывно расширяется. Особое 
место занимают печатные краски, которые можно наносить на 
различные материалы.

Выбор вида материала, его природы и состава, качество его 
поверхности определяются функциональным назначением, а не 
печатными свойствами. Требования к пигментированным материалам постоянно растут и изменяются, что связано с появлением синтетических пленкообразователей и созданием высокоэффективных способов 
получения 
пигментированных ЛКМ. 
К наиболее трудоемким и энергоемким стадиям в общем процессе получения ЛКМ относятся процессы диспергирования 
пигментов в растворах, дисперсиях или расплавах. Их проводят 
в различном аппаратурном оформлении. Высокая дисперсность 
может быть достигнута путем сухого или мокрого помола с использованием различных добавок и вспомогательных операций. 
Применяемые в мировой практике технологии диспергирования 
основаны на гидродинамическом усилии. Для мягких пигментов 
это коллоидные мельницы ударного действия, кавитационные, 
дисковые, гомогенизаторы высокого давления и т.д. Диспергирование прочных и твердых пигментов осуществляют на оборудовании, использующем ударно-сдвиговые усилия. В первую 
очередь, это мельницы с мешалками, заполненные шарами диаметром от 2 до 0,5 мм, а также виброизмельчители, дезинтеграторы.

Процессы диспергирования пигментов, создания суспензий 
и паст необходимо рассматривать с учетом их реологического 
поведения. Реологические характеристики ЛКМ и входящих 
в них пигментов и добавок оказывают непосредственное влияние на условия изготовления, устойчивость при хранении 
и транспортировке, дозирование и на условие нанесения на из5

делия. Для описания их реологического поведения применяют 
упругие, гуковские тела и жидкости, относящиеся к ньютоновским и неньютоновским жидкостям. Особенностью ЛКМ является го, что они относятся к сложным реологическим жидкостям, проявляющим эффекты тиксшропии, дилатенеии, обладают пределом текучести и другими комплексами реологического поведения.

Диспергирование шихт, порошков и пигментов осуществляют при тонком и сверхтонком измельчении. В качестве диспергирующего оборудования используется скоростная измельчи- 
тельная техника. Эффекты механоактивации возникают при 
большой частоте воздействия на измельчаемый материал и высокой концентрации энергии в единице рабочего объема. Техника измельчения, такая как бисерные и планетарные мельницы, 
дезинтеграторы и виброизмельчители, обычно работает как 
в ударном, так и в истирающем режиме.

Диапазон изменения свойств веществ при механоактивации 
различных материалов достаточно большой. Вещества в тонкодисперсном состоянии химически активны, интенсивно реагируют с другими веществами (иногда с взрывом), плавятся при 
более низких температурах (стекольные шихты), лучше спекаются. После измельчения изменяются их термодинамические 
параметры (например, у тонкоизмельченного MgO по сравнению с кристаллическим). Увеличение дисперсности сопровождается ростом запаса поверхностной энергии системы и изменением ее устойчивости.

Применительно к пигментам диспергирование приводит 
к изменению их реологических свойств как в процессе переработки, так и при хранении, смешении. Изменения носят сложный характер, а их характер определяется свойствами пигментов, наполнителей, функциональных добавок и жидкой фазы. 
Дисперсность влияет и на оптические показатели пигмента 
и гшгментмрованной системы. Меняются и чистота цвета, тон, 
интенсивность и укрывистость. Увеличение дисперсности пигментов и наполнителей влияет на защитно-диффузионные свойства покрытий (в сторону повышения). Необходимо также учи6

тывать, что с ростом дисперсности повышается фотоактивность 
пигментов, например, оксида цинка и диоксида титана.

В оборудовании, выбираемом для проведения помола, классификации, смешения и транспортировки, часто не учитывают 
реологические свойства этих продуктов и эффекты, возникающие при механоактивации.

За последние 10-15 лет значительно расширился парк применяемого оборудования. Причем нет четких критериев для его 
выбора, а методы расчета их технологических параметров 
и конструктивных характеристик отрывочны и фрагментарны 
и не всегда обоснованы.

Следует отметить, что моделирование реальных процессов, 
рассмотренных в данной книге, дало практические результаты. 
Они были получены при использовании новейшего производственного и аналитического оборудования в Центре коллективного пользования научным оборудованием «Исследовательский 
научно-аналитический центр ФГУП ИРЕА». Разделы книги отражают результаты научно-исследовательской работы, выполненной в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».

В данной работе проанализированы процессы подготовки 
ЛКМ, конструкции диспергаторов (мельницы, виброизмельчители, дезинтеграторы), классификаторы порошков, перемешивающие устройства, насосное оборудование. Рассмотрены особенности эксплуатации указанного оборудования с выдачей рекомендаций по типовым схемам, аппаратурному оформлению 
процесса получения высокодисперсных паст и пигментов.

В.И. Назаровым написаны предисловие, в разделе 3 п. 3.1,

3.3, раздел 4, в разделе 5 п. 5.1, 5,2, в разделе 7 п. 7.1, 7.2. 
Д.А. Макаренковым -  разделы 1, в разделе 3 п. 3.2, в разделе 5 
п. 5.3, 5.4, в разделе 7 п. 7.2.3. Е.А. Баринским написан раздел 6. 
Авторами совместно написан раздел 2 и в разделе 7 п. 7.4.

7

Раздел 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПИГМЕНТОВ, СУСПЕНЗИЙ, 
ПАСТ И ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Лакокрасочные материалы широко применяются в различных отраслях промышленности, строительстве и быту. Ассортимент ЛКМ огромен (только в РФ больше 2000 наименований) 
и он постоянно пополняется. Создаются новые материалы, соответствующие современным требованиям качества и при этом 
ужесточаются требования к экологической безопасности ЛКМ 
и входящих в них компонентов.

ЛКМ подразделяют на краски, эмали, грунтовки, шпатлевки, 
порошковые краски, печатные краски и лаки. ЛКМ отличаются 
по назначению, свойствам и показателям экономичности. Лакокрасочные покрытия делятся на следующие группы: стойкие 
внутри помещения, атмосферостойкие, водостойкие, морозостойкие, огнестойкие, устойчивые к действию химических реагентов.

Лаки и краски являются сложными системами, куда входят 
пленкообразующие компоненты, пластификаторы, растворители 
и сиккативы. Сиккатив -  это металлоорганическая соль (комплекс), служащая катализатором, обеспечивающим отверждение 
ненасыщенных пленкообразовател ей.

В состав красок также входят пигменты и наполнители. 
К ЛКМ относятся: связующие (пленкообразующие) материалы, 
пигменты (цветные порошки) с наполнителями, красочные малярные составы и лаки, создающие пленку, отличающуюся блеском и твердостью.

Пленкообразующие вещества являются компонентом ЛКМ, 
определяющим удобонаносимость составов, скорость отверждения, прочность и долговечность образовавшейся пленки. Их роль 
аналогична роли неорганических вяжущих (например, в растворах или бетонах).

К связующим веществам относятся обработанные растительные масла (олифы) или синтетические высокомолекулярные соединения (природные и синтетические смолы, полимеры и сополимеры).

8

Рассмотрим основные компоненты ЛКМ.
Пигменты являются одной из составных частей красок 
и эмалей. Тип пигмента определяет цвет лакокрасочного покрытия, его укрывистость, а также устойчивость к действию атмосферных факторов, химических реагентов и высоких температур. Из-за своего цвета они способны избирательно отражать 
лучи дневного свега. Когда на пигмент падает световой луч, то 
часть лучистой энергии поглощается, а другая отражается, окрашивая пигмент в цвет отраженных лучей. Часть лучей дневного света, попадая на поверхность, состоящую из связующего 
и смеси различных пигментов, проходит через прозрачное для 
них связующее, не окрашивая пленку. Другая часть лучей отражается от краски и это создает' эффект зеркальной поверхности 
(блик). Одна часть лучей полностью поглощается пигментом 
(и эта точка кажется темной), другая -  избирательно, т.е. часть 
лучей, составляющих спектр дневного света, поглощается, 
а другая отражается от поверхности пигмента и окрашивает ее. 
Например, если пигмент поглощает фиолетовые, синие, зеленые, желтые лучи и отражает красные, то поверхность воспринимается как окрашенная в красный цвет. Пигмент, отражающий почти весь падающий на него свет, кажется белым, а пигмент, поглощающий падающие на него лучи -  черным. Основными цветами принято считать -  красный, синий и желтый. 
Смешивая их между собой, можно получить фиолетовый, оранжевый, зеленый. В малярной технике такой способ наложения 
краски на краску носит название «лессировка». Смешав пигменты, получить равномерно окрашивающую краску можно только 
тогда, когда показатели плотностей пигментов близки.

Химический состав пигмента обуславливает его главные 
свойства: термостойкость, коррозионную и химическую устойчивость, цвет. Содержание водорастворимых солей в пигментах 
должно быть минимальным, так как под действием воды они 
вымываются, пленка становится пористой и разрушается.

Дисперсность пигмента характеризуется размерами его частиц, 
которые не должны превышать толщину пленки красочного покрытия, иначе поверхность будет неровной, шероховатой. Наи9

лучшая укрывистость доетжгаегся при использовании часгиц пигмента 0,2-10 мкм. Пигменты, как правило, отличаются высокой 
тонкостью помола и просеиваются сквозь сито 10000 отв./см2. Для 
определения дисперсности пигментов используют методы ситового, микроскопического и седиментометрического анализов 
и др. По дисперсии частиц пигменты делятся на грубые системы 
(бэ > 1000 нм (1мкм)), коллоиды do = (1000-5) нм и молекулярные растворы бэ<5 нм. Пигментированные материалы обычно 
состоят из двух фаз. Первая -  это частицы пигментов или наполнителей (кристаллы бэ = 10-1000 нм), а вторая -  дисперсная 
среда в виде иленкообразователя.

Зависимость между величиной поверхности и размером частиц дисперсной фазы принято рассчитывать по модели, в качестве которой выбран куб с длиной грани 1 см и поверхностью 
6 см2. Каждую грань этого куба делят на десять частей, получая 
10 х 10x10^ 1000 кубиков с длиной грани 1 мм и общей поверхностью 60 см2. При длине грани 1 мкм их число составит 
1012, а общая поверхность -  6 м2.

Увеличение удельной поверхности при измельчении частиц 
важно до тех пор, пока атомы или молекулы на поверхности 
частиц приобретут более высокую энергию, чем атомы или молекулы, находящиеся внутри частиц. В частицах низкомолекулярных веществ диаметром 10 нм около 25 % молекул находится на границе раздела фаз. Таким образом, понятие «коллоид» 
характеризует состояние веществ, 
определяемое 
большей 
удельной поверхностью и значительной величиной поверхностной энергии.

Для промышленных продуктов в табл. 1.1 приведена зависимость размеров частиц пигментов и наполнителей различной 
природы от их поверхности.

10

Таблица 1.1

Средний размер частиц и удельная поверхность

__ некоторых пигментов и наполнителей___________
_

Наименование
Диаметр частиц, нм.
Удельная поверхность, м2/г

Изометрические частицы

Сажа (углерод)
- газовая
13
460

-  пламенная
95
20

Диоксид; кремния
- молотый кварцевый пе-
16000
0,9
сок
-  пирогенная кремниевая
7
390
кислота
Пигмент голубой фтало-
цианитовый
-  модификации 1
50
72

-  модификации 2
100
36

Карбонат кальция
-  осажденный
80
20

-- мраморная мука
2500
3,4

Диоксид титана рутильной
модификации
- ультратошсий прозрачный
10-20
45-110

-  кроющий не модифицированный
250-300
~ 6

Пигмент красный железооксидный
-  прозрачный
20
100

-  кроющий
300
6

Анизометрические частицы

Чешуйчатые пигменты
г

мкм
(1мкм=1000нм)
.Алюминий
-  тонкодисперсный
16x0,3
5

- грубодисперсный
49x0,3
1,6

Слюда
-  тонкодисперсная
16x0,8
20x0,8

-  грубодисперсная
_____ И 
-
10

11

Из приведенных данных следует, что с увеличением размеров частиц уменьшается их удельная поверхность, а анизометрические частицы по сравнению с изометрическими имеют 
большую удельную поверхность, что следует из геометрических 
характеристик.

Свойства дисперсных систем в зависимости от размера частиц показаны на рис. 1.1.

Дисперсные системы

1г

Г рубое распределение
Коллоиды
Молекулярные растворы

Помугнение 
Диффузия, диализ

Максимум в коллоидной области

Рис. 1.1. Свойства дисперсных систем

С увеличением степени дисперсности изменяются такие характеристики, как помутнение, фильтруемоеть, диффузия и диализ. Насыщенность оттенка и опалесценция, напротив, имеют 
максимальные значения в коллоидной области. Можно отметить, что максимальные значения некоторых технических характеристик пигментов приходятся на коллоидную область 
(табл. 1.2). Насыщенность и укрыв иетость максимальны при 
среднем размере частиц около 300 нм.

12