剪切機(jī)原理介紹 中迅農(nóng)科股份有限公司 彭述明 概 述 剪 切 均 質(zhì) 技 術(shù) 作 為 一 種 新 型 微 米 技 術(shù) ， 已 經(jīng) 廣 泛 應(yīng) 用 于 食品 、 醫(yī) 藥 、 輕 工 、 微 生 物 等 諸 多 行 業(yè) ， 并 得 到 迅 速 的 發(fā) 展 ，已 經(jīng) 成 為 這 些 行 業(yè) 對 有 關(guān) 流 體 、 半 流 體 產(chǎn) 品 品 質(zhì) 所 必 不 可少 的 工 藝 過 程 。 國 外 在 30年 前 就 生 產(chǎn) 并 使 用 均 質(zhì) 機(jī) ， 且 應(yīng) 用 于 生 產(chǎn) ， 剪 切均 質(zhì) 機(jī) 作 為 均 質(zhì) 機(jī) 械 中 的 佼 佼 者 ， 也 被 廣 泛 的 認(rèn) 識 和 研 究 。自 從 1948德 國 FLUKO公 司 首 次 發(fā) 明 了 應(yīng) 用 高 剪 切 原 理 制 成的 分 散 乳 化 設(shè) 備 。 高 剪 切 已 出 現(xiàn) 了 多 種 系 列 產(chǎn) 品 。 在 世 界均 質(zhì) 機(jī) 械 行 業(yè) 處 于 領(lǐng) 先 地 位 。 國 外 研 究 制 造 的 剪 切 機(jī) 基 本上 采 用 定 -轉(zhuǎn) 子 型 機(jī) 構(gòu) 作 為 均 質(zhì) 頭 ， 在 電 機(jī) 的 高 速 驅(qū) 動 下（ 300-1000r/min） ， 物 料 在 轉(zhuǎn) 子 和 定 子 之 間 的 間 隙 高 速運(yùn) 動 ， 形 成 強(qiáng) 烈 的 液 力 剪 切 和 湍 流 ， 使 物 料 在 同 時 產(chǎn) 生 的離 心 、 擠 壓 、 碰 撞 等 綜 合 作 用 力 的 協(xié) 調(diào) 作 用 下 ， 得 到 充 分的 分 散 ， 乳 化 、 破 碎 ， 達(dá) 到 要 求 的 效 果 。 美 國 和 德 國 的 剪 切 式 均 質(zhì) 機(jī) 的 研 究 和 開 發(fā) 均 取 得了 顯 著 進(jìn) 展 。 如 美 國 的 IKA-WERKE GMHB CO.KG生產(chǎn) 的 多 系 列 分 散 均 質(zhì) 設(shè) 備 ， 美 國 ROSS公 司 研 制 的 ，德 國 IKA-MASCHINENBAU公 司 研 制 的 ULTRA分 散 機(jī) ，德 國 YSTRAL公 司 生 產(chǎn) 的 X40型 分 散 攪 拌 機(jī) ， 在 國外 均 質(zhì) 機(jī) 研 究 和 應(yīng) 用 方 面 ， 德 國 處 于 領(lǐng) 先 。 我 國 均 質(zhì) 機(jī) 研 究 是 從 50年 底 個 別 廠 家 開 始 的 ， 最早 是 上 海 煙 草 機(jī) 械 廠 仿 制 美 國 產(chǎn) 品 ， 直 到 80年 代才 開 始 逐 漸 生 產(chǎn) 均 質(zhì) 機(jī) ， 而 且 大 多 是 傳 統(tǒng) 的 高 壓均 質(zhì) 設(shè) 備 ， 隨 著 國 外 剪 切 式 均 質(zhì) 機(jī) 的 迅 速 發(fā) 展 ，近 年 來 ， 國 內(nèi) 許 多 科 研 人 員 、 制 造 和 使 用 廠 家 也開 始 重 視 對 剪 切 式 均 質(zhì) 機(jī) 的 研 究 工 作 。 目 前 已 經(jīng)建 立 了 與 國 外 廠 商 聯(lián) 營 、 合 資 研 制 生 產(chǎn) 剪 切 式 均質(zhì) 機(jī) 的 公 司 。 如 上 海 弗 努 克 機(jī) 電 設(shè) 備 有 限 公 司 、中 美 合 資 南 通 羅 斯 （ ROSS） 混 合 設(shè) 備 有 限 公 司 等 ，現(xiàn) 在 國 內(nèi) 有 許 多 廠 家 開 始 生 產(chǎn) 高 剪 切 均 質(zhì) 機(jī) ， 如東 市 長 江 機(jī) 電 有 限 公 司 、 上 海 環(huán) 保 設(shè) 備 總 廠 、 上海 威 宇 機(jī) 電 有 限 公 司 ， 上 海 市 化 工 裝 備 研 究 所 等 。 高 剪 切 機(jī) 的 剪 切 原 理 一 、 高 剪 切 如 何 工 作 高 速 剪 切 機(jī) 的 本 質(zhì) 是 顆 粒 的 破 碎 。 要 使 分散 相 顆 粒 破 裂 ， 必 須 對 顆 粒 表 面 提 供 足 夠的 外 來 能 量 ， 在 此 能 量 作 用 下 顆 粒 發(fā) 生 變形 ， 當(dāng) 變 形 力 超 過 使 顆 粒 維 持 原 狀 的 界 面張 力 或 強(qiáng) 度 極 限 時 ， 顆 粒 就 會 破 裂 。 研 究 表 明 ， 液 滴 的 變 形 、 破 裂 及 流 體 力 學(xué)的 穩(wěn) 定 性 ， 主 要 取 決 與 無 因 次 韋 伯 準(zhǔn) 數(shù) We，以 及 分 散 相 粘 度 與 連 續(xù) 相 粘 度 之 比 R， 液 滴 在 流 體 力 作 用 下 會 發(fā) 生 變 形 ， 其 變 形程 度 與 韋 伯 準(zhǔn) 數(shù) 成 比 例 。 Hinze研 究 指 出 ， 液 滴 破 裂 存 在 一 個 臨 界 韋 伯 準(zhǔn) 數(shù) ，當(dāng) 在 應(yīng) 力 作 用 下 的 韋 伯 準(zhǔn) 數(shù) 小 于 臨 界 韋 伯 準(zhǔn) 數(shù) 時 ，則 液 滴 變 形 ， 當(dāng) 在 應(yīng) 力 作 用 下 的 韋 伯 準(zhǔn) 數(shù) 大 于 臨界 韋 伯 準(zhǔn) 數(shù) 時 ， 則 液 滴 破 裂 。 在 液 一 固 相 分 散 系中 ， 懸 浮 的 固 體 顆 粒 在 液 體 中 也 會 受 到 類 似 的 應(yīng)力 作 用 ， 當(dāng) 這 類 應(yīng) 力 超 過 了 使 固 體 維 持 其 完 整 性的 強(qiáng) 度 極 限 時 ， 粒 子 便 發(fā) 生 變 形 、 破 碎 。 但 若 固體 顆 粒 的 強(qiáng) 度 極 限 較 高 ， 完 全 靠 液 力 作 用 ， 則 很難 破 碎 ， 并 且 有 一 些 固 體 顆 粒 ， 如 纖 維 材 料 ， 則更 難 靠 完 全 的 液 力 剪 切 作 用 ， 所 以 ， 要 有 好 的 均質(zhì) 效 果 ， 則 應(yīng) 該 增 加 機(jī) 械 剪 切 力 作 用 。 總 結(jié) ： 高 剪 切 主 要 靠 輸 送 能 量 使 顆 粒 破 裂達(dá) 到 均 質(zhì) 的 目 的 。 1、 使 液 層 產(chǎn) 生 速 度 差 2、 空 穴 效 應(yīng) 3、 機(jī) 械 力 AB 流體的邊界層理論 層 流 ： 當(dāng) 流 體 低 速 運(yùn) 動 時 ， 流 體 質(zhì) 點 始 終 沿 平行 的 方 向 連 續(xù) 地 運(yùn) 動 ， 質(zhì) 點 之 間 互 不 混 淆 ， 流體 運(yùn) 動 處 于 層 流 運(yùn) 動 狀 態(tài) ； 流 體 的類型 湍 流 ： 當(dāng) 流 體 速 度 增 加 到 某 一 速 度 值 時 ， 高速 流 體 中 將 引 起 漩 渦 而 進(jìn) 入 湍 流 狀 態(tài) 。 流 動 型 態(tài) 是 由 雷 諾 數(shù) 決 定 ， 流 體 在 直 管 中 流 動 時 流 動 狀 態(tài) 開始 變 為 湍 流 時 的 雷 諾 數(shù) 稱 為 臨 界 雷 諾 數(shù) ， 若 大 于 臨 界 雷 諾數(shù) ， 則 流 體 就 屬 于 湍 流 流 動 ， 反 之 流 體 就 屬 于 層 流 流 動 。 對于 高 粘 度 流 體 ， 一 般 均 處 于 層 流 狀 態(tài) ， 而 對 于 非 均 相 流 體 ，除 高 粘 度 流 體 外 大 多 是 處 于 湍 流 狀 態(tài) 。 最 大 剪 切 應(yīng) 力 層 流 時 的 最 大 剪 切 力 ， 液 體 分 別 在 轉(zhuǎn) 定 子 的 槽道 里 和 轉(zhuǎn) 定 子 之 間 流 動 ， 分 別 進(jìn) 行 分 析 。 高 粘度 物 料 一 般 處 于 層 流 狀 態(tài) 。湍 流 時 的 最 大 剪 切 力 ， 分 析 方 法 與 層 流 相 似 。 層 流 最 大 剪 切 應(yīng) 力 槽 道 內(nèi) 流 動 ： 流 體 內(nèi) 的 最 大 流 速 及 所 受 到 的 最大 剪 切 力 與 液 體 流 動 方 向 上 的 壓 力 梯 度 成 正 比 ，最 大 速 度 在 槽 道 壁 面 處 。轉(zhuǎn) 定 子 之 間 流 動 ： 液 體 在 轉(zhuǎn) 定 子 之 間 成 為 旋 轉(zhuǎn) 流 ， 轉(zhuǎn)定 子 之 間 存 在 速 度 梯 度 ， 產(chǎn) 生 剪 切 力 。 轉(zhuǎn) 子 速 度 大 ，定 轉(zhuǎn) 子 間 隙 越 小 ， 則 最 大 剪 切 越 大 。最 大 剪 切 力 在 轉(zhuǎn) 子 壁 面 處 。 湍 流 最 大 剪 切 應(yīng) 力 槽 道 內(nèi) 流 動 ： 與 層 流 類 似 ， 湍 流 運(yùn) 動 的 脈 動特 性 使 其 具 有 傳 遞 擴(kuò) 散 性 ， 從 而 使 物 料 的 粉碎 過 程 中 能 更 產(chǎn) 生 很 好 的 分 散 ， 且 剪 切 效 果是 層 流 數(shù) 倍 以 上 。轉(zhuǎn) 定 子 之 間 流 動 ： 同 上 二 、 高 頻 壓 力 波 動 根 據(jù) 伯 努 利 方 程 ， 流 體 所 具 有 的 動 能 和 壓力 之 和 是 常 數(shù) ， 因 此 突 然 的 高 速 流 體 會 造成 壓 降 ， 當(dāng) 壓 力 低 到 工 作 流 體 的 飽 和 蒸 汽壓 時 ， 就 會 沸 騰 ， 產(chǎn) 生 大 量 的 氣 泡 ， 當(dāng) 壓力 升 高 后 ， 氣 泡 又 會 破 裂 。 產(chǎn) 生 的 高 速 微射 流 ， 速 度 可 以 達(dá) 到 100m/s到 300m/s這 一高 度 ， 微 射 產(chǎn) 生 的 脈 沖 壓 力 接 近 200Mpa，這 就 是 空 穴 效 應(yīng) 。 空 穴 效 應(yīng) 發(fā) 生 在 粒 子 旁邊 就 會 導(dǎo) 致 粒 子 的 破 裂 。 三 、 機(jī) 械 撞 擊 、 剪 切 作 用 對 于 含 固 體 顆 粒 物 料 的 粉 碎 均 質(zhì) ， 機(jī) 械 剪 切 與 撞擊 起 主 導(dǎo) 作 用 ， 轉(zhuǎn) 子 高 度 旋 轉(zhuǎn) 產(chǎn) 生 強(qiáng) 大 的 離 心 立場 ， 在 轉(zhuǎn) 子 中 心 形 成 很 強(qiáng) 的 負(fù) 壓 區(qū) ， 料 液 從 定 轉(zhuǎn)子 中 心 被 吸 入 ， 在 離 心 力 的 作 用 下 ， 物 料 由 內(nèi) 圈向 外 圈 運(yùn) 動 ， 線 速 度 越 來 越 高 ， 形 成 極 大 的 壓 力梯 度 場 ， 在 該 場 中 ， 物 料 收 到 強(qiáng) 大 的 剪 切 、 摩 擦 、撞 擊 以 及 物 料 間 的 相 互 碰 撞 、 摩 擦 實 現(xiàn) 固 相 在 微粒 與 液 相 的 乳 化 。