超微细纳米研磨技术在纳米科技上应用与研讨文档格式.docx

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但目前国内上述大部分之传统产业业者已逐渐将其产品从传统之微米级尺寸产品应用领域转型到高科技所需之之纳米级尺寸产品所需之材料，如薄膜型液晶显示器（TFTLCD）所需之彩色光阻（colorresist）、打印机所需之喷墨（jetinks）、被动组件、光电产业及生化产业所需之纳米级材料等，因上述高科技所需之纳米级尺寸之材料单价较高，每公斤约为数千到数万元，且不同产品或厂家所需之规格亦不同，所以研发便成为产业转型之重要课题。

但由于传统型设计之单缸型研磨机受限于热交换只来自于研磨室表面之热夹套层，故对于不同研磨室体积之研磨机之产能无法满足线性放大之需求。

相反地，本文所介绍之新一代双缸型设计之研磨机则将研磨室之体积缩小，并增加热交换面积且使其与研磨室之体积成固定比例，如此不管研磨室之体积大小为何，其热交换面积与研磨室大小成固定比例，可使单位研磨室体积之动力密度不受研磨室大小之影响，达到实验型研磨机之研发结果与量产型研磨机在同一质量下之产能等比例放大之目的，同时对于较难分散研磨或对温度较敏感之应用及纳米级材料之分散研磨皆能运用无碍，本文将详细地对上述之论点做一报告并以实例来说明之。

1.输入比能量（Massspecificenergyinput）与动力密度（powerdensity）之定义

1.1输入之比能量：

输入之比能量

当以循环式操作（recirculationoperatingmode）时，比能量之计算为自启动研磨机后到停机时之总累积消耗之有效动力除以浆料之批次量，

每单位时间之产能与该研磨室所承受之有效消耗动力成正比

即由上可知，每单位时间之产能与该研磨室所承受之有效消耗动力成正比，但此关系只适用于当研磨机在合理的参数操作下方可成立。

限于篇幅，本文不再对此做更深一步探讨。

1.2研磨室所承受之动力密度（Powerdensityinthegrindingchamber）：

在分散及研磨的应用实例中，有很多应用的质量要求唯有在单位体积之研磨室在受到某一程度之动力强度时方可达到。

以定量来分析，若以Pv来表示单位体积研磨室所受到之动力消耗，即

以Pv 

来表示单位体积研磨室所受到之动力消耗

例如下列针对纳米尺度材料之要求或温度很敏感或之应用，除非在高动力密度条件下来分散研磨，否则很困难达到所欲之质量要求。

∙于分散研磨过程中，浆料温度不得超过40º

C，且需将颜料研磨到20-80nm纳米级之粒径，以期达到最佳之透明度、色浓度或光泽之要求，如彩色光阻、喷墨,…。

∙于分散研磨过程中，浆料温度不得超过35-40º

C，且需将水性之颜料分散研磨并达到最大之色浓度。

∙于分散研磨过程中，浆料温度不得超过50º

C，且需将印刷油墨之色膏分散研磨到色片等级之色泽及透明度要求之油墨。

C，且需将碳黑分散研磨成色膏以应用于工业用或汽车用之表面漆，并达到最高之质量要求。

∙于分散研磨过程中，浆料温度不得超过45º

C之靠紫外线熟化型（UV-curing）之印刷油墨色膏。

2.传统型研磨机于不同研磨室尺寸放大时所遇到之困难

2.1动力密度与研磨室大小之关系：

如图一所示，传统型研磨机之原理为泵浦（pump）将浆料从研磨室之一端打入研磨室内，研磨室内之搅拌单元持续地打动磨球，使磨球在研磨室内均匀地运动，浆料于研磨室内的移动过程中，依流量或黏滞性（viscosity）大小不同而与磨球产生不同大小之剪切力以产生分散研磨之效果，当然为了避免磨球流出研磨室，在研磨室的另一端设计有滤网以避免磨球跑出研磨室。

传统之研磨机

传统之研磨机中只能靠研磨室外层之热夹套层作热交换，通常此型之研磨机于研磨室体积较小时。

如实验型研磨机之研磨室1L，要达到对温度敏感且较难分散研磨之浆料要求，Pv=2kW/l.或许没有问题，但一旦欲将实验型研磨机之研磨机参数放大到量产机型时则产生问题，理由如下：

理由

由上可知，当研磨室体积放大10倍时，从式〔12〕可得知热交换面积只能放大102/3=4.6倍，为了避免浆料温度上升，动力密度必然只能增加4.6倍而非10倍。

原因如下：

原因

假设动力密度与研磨室热交换面积成正比，即

由上可得知，传统型研磨机于放大时，其热交换面积并无法与动力密度等比例放大，而是与研磨室直径成反比。

所以当传统型研磨机欲将实验型研磨机之参数放大到量产型研磨机时，受限于热交换面积无法等比例随研磨室体积之增加而等比例增加，为了避免浆料温不过高，势必降低动力密度。

如此将导致产能降低，或研磨效果降低，甚至对此上述纳米尺寸材料之分散研磨或对温度较敏感之应用则无法胜任。

所以传统研磨机若欲从事大量生产，唯一方法为选购多部小型研磨机，如此虽可达到量的要求，但在设备数量及人员之营运成本上将大大提高，已无竞争力。

2.2研磨室体积放大（ScaleUp）之估算方法：

从实验型研磨机可以得到欲达到某一质量要求所需之比能量Em值，若欲放大到量产之产能mprod（t/h）时，从公式〔2〕可计算出所需之有效动力消耗为:

公式〔2〕可计算出所需之有效动力消耗

3.新一代研磨机之设计–研磨室体积小、高效率、磨球在研磨室可依特定轨迹而循环

（Small-volumehigh-performancemillswithadefinedinternalgrindingmediacirculation）

3.1研磨机产能依研磨室体积线性放大之条件：

若欲使研磨机在高动力密度下，可以任意放大且维持浆料之温度不变下而得到一样的质量，唯一方法为需让研磨机之热交换面积与动力密度成固定比例。

如此任何尺寸之研磨机之研磨效率将不受研磨机研磨室体积大小而影响，同时热交换效果亦将不受研磨室大小之变化而变化，即需满足下列之条件:

满足条件

3.2新一代研磨机之构造–动力密度之大小可以不受研磨室之大小而改变（Structureand

functionofamultiple-zonePerlmillwithanonsize-dependentpowerdensity）

图二 

“ 

Puhler 

NANO 

Advantis 

” 

新一代双缸型高效率研磨机之原理及构造

图三PuhlerNANOAdvantis新一代量产型双缸型研磨机之外观

图四新一代研磨机之转子（rotor）设计

图五新一代实验型双缸型研磨机之外观

如图二所示“PuhlerNANOAdvantis”型研磨机之设计即可满足上述动力密度之大小不受研磨室

大小而改变。

Advantis之构造乃将一个中空之转子套在由二个静置之内外缸所形成之研磨室间，内外缸及转子皆有热夹套层设计以供热交换使用，浆料由研磨室上方进入研磨室后，将经过三个阶段的分散研磨而后利用离心力原理由滤网流出研磨室。

第一阶段为经由转子之转动而生强力涡流区以进行预分散效果，然后经由转子外层上之插梢与外缸上插梢撞击磨球所产生之强力之撞击及剪切力区来分散研磨浆料，最后浆料与磨球一起流经转动之转子之内层与静置之内缸所形成之间隙区产生之剪切力做最后一阶段之分散研磨。

磨球与浆料一起运动到内缸之上缘后，受到离心力作用之影响磨球将往外甩而由转子上设计之间隙（gap）跑回强力涡流区，即预分散区，然后随着浆料再进行第二阶段之研磨，如此在研磨室内循环，而浆料则受到离心力之影响往内甩，经由滤网而流出。

因磨球一直在研磨室内循环，所以可以避免因磨球挤压所产生之压力，此设计可以适用于大流量之应用。

一般对同一研磨室体积大小而言，PuhlerNANOAdvantis之流量可为传统型之10倍以上，且压力不致上升。

此设计于研磨室放大时，仅需将研磨室之直径与长度做等比例之放大即可。

故从实验型到量产型之各种机种皆可以任意放大，热交换面积与研磨室大小之比例将固定，不受研磨室之大小而改变。

由于本机型之热交换面积非常大（内缸、外缸、转子皆有热交换之夹套层设计），所以无论研磨室之大小为何，皆可以维持单位体积研磨室之动力密度为P/V=4kW/l，同时可确保从实验到量产之各机型之应用皆可以将产能等比例放大，质量亦可以均一。

3.3如何提高研磨之产能及质量之方法：

本文以透明性颜料色膏应用为例，以循环式操作方式，采用量产型之研磨机台来比较在不同之转子转速下而产生之不同动力密度时对产品质量及产能所产生之影响做一探讨。

从图3.a之制作乃以动力密度为2.1kW/l时，定义所需色膏之透明之质量要求为Xstandard，其所需之研磨时间定义为tstandard，然后再利用提高转子之转速以提高不同之动力密度，于动力密度分别为3.0及3.3kW/l时，分别做出透明度与研磨时间之关系图，当然为了维持色膏质量不受浆料温度改变之影响，于不同之转子运速时，需调整冷却水之大小以维持相同之浆料温度。

由图3.a可以得知：

∙当动力密度为2.1kW/l时，即使延长研磨时间，对质量之影响亦非常有限，如图所示当延长时间到100%时，透明度只增加到104%。

∙当动力密度提高到3kW/l时，仅需动力密度为2.1kW/l时之61%之时间即可达到质量要求Xstandard，若延长研磨时间，则仍可以继续提高透明度，如图所示，最后可提高27%之透明度。

∙当动力密度在提高到3.3kW/l时，仅需相对于动力密度为2.1kW/l时之50%之时间即可达到质量要求Xstandard，若延长研磨时间，则透明度可以提高37%。

图3.a

若将图3.aX轴之研磨时间改为相对于当动力密度为2.1kW/l达到透明度要求时所需之相对比能量值时，即当比能量为540kWh/t时，定义为X/Xstandard=100%，

则可以得知下列结果：

∙当动力密度为2.1kW/l时，即使增加比能量之值，亦无法有效地增加透明度。

∙当动力密度为3.0kW/l时，当比能量增加时，透明度亦随之增加，但到127%时即无法再增加。

∙当动力密度在提高到3.3kW/l时，随着比能量增加透明度可以增加到137%。

图3.b

由上述可得下列之结论：

1.当提高动力密度时，达到同一透明度要求下所需之比能量大大地减少，即产能可以大大地提升。

2.当采用较高动力密度时，质量可以往上提升。

但若采用传统型之研磨机时，因为能量密度无法提高，所以即使增长研磨时间、增加比能量或降低流量（当采用连续式操作时）亦无法提高质量，例如当动力密度为2.1Kw/l时，即使增加比能量之输入，透明度亦无法高于104%。

4.传统型与新一代双缸型研磨机设计之比较范例

以分散研磨一个对温度敏感或纳米尺寸之浆料而言，假设浆料之最大允许温度为45º

C；

对传统型研磨机及新一代研磨机于实验机种得知达到质量需求时，所需之比能量皆为Em=200kWh/t；

若欲将产能放大到500kg/h时，此时传统型机台及新一代研磨机为达到该放大后产能需求所需之研磨机相关规格比较表如表一所示，并说明如下：

∙于实验型研磨机时，新一代研磨机之研磨室大小只需传统型之1/4左右。

∙对于同一动力需求100kW而言，传统型研磨机之研磨室体积为497l，而新一代研磨机之研磨室体积只需25l。

相差约20倍。

∙因为热交换之问题，放大后之动力密度，传统型研磨机仅为新一代研磨机之20分之1，此时由传统型研磨机所放大后之量产型机台可能因此而无法达到其实验型研磨机所得到之质量要求。

∙事实上，上述之结果不仅反应传统型之机台于放大后之动力密度降为新一代研磨机之20分之1，其研磨室体积亦增大为新一代研磨机之20倍左右，对于研磨机清洗将因浆料残余量之大大增加而困难度增加,如何处理因其所产生之大量废溶剂将是传统型研磨机面对之令一大难题。

比较表

5.结语：

随着政府大力地倡导及推广纳米科技之技术及应用，在材料上如何进到纳米尺度材料之要求将是影响到纳米科技是否能够成熟茁壮之重要因素之一。

由上述可知”工欲善其事，必先利其器”，如何找到一个好的分散研磨设备以克服传统型研磨机于研发至量产纳米尺度材料时所可能遇到之技术瓶颈，将是一大重要课题。

本文所介绍之新一代双缸型研磨机不仅可以解决传统型研磨机于放大时所遇到之问题，更可以大大地在量的方面提高分散研磨效率，同时在质的方面亦可以达到纳米尺度材料之要求。

该机型已在中国及世界各国广泛地被使用中。