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Dokumentenidentifikation DE19536845A1 03.04.1997
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von feinteiligen Feststoffdispersionen
Anmelder Bayer AG, 51373 Leverkusen, DE
Erfinder Nyssen, Roger, Dipl.-Ing., 41542 Dormagen, DE;
Wanken, Klaus, 51373 Leverkusen, DE;
Klinsiek, Bernd, Dipl.-Ing., 51429 Bergisch Gladbach, DE
DE-Anmeldedatum 02.10.1995
DE-Aktenzeichen 19536845
Offenlegungstag 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse B01F 5/08
IPC-Nebenklasse B01F 3/20   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung feinteiliger Dispersionen von Feststoffen mit einer Partikelgröße von 0,01 bis 20 µm durch Zerkleinern grobteiliger Dispersionen in einer Loch- oder Schlitzdüse 4 mit spezifischem Bohrungslänge zu -durchmesser-Verhältnis bei einer Druckdifferenz größer 5 bar zwischen Düseneingang und Düsenausgang. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung der feinteiligen Dispersion.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung feinteiliger Dispersionen von Feststoffen mit einer mittleren Partikelgröße von 0,01 bis 20 µm durch Zerkleinern grobteiliger (Partikelgröße größer 20 µm) Dispersionen in einer Loch- oder Schlitzdüse mit spezifischem Bohrungslänge zu -durchmesser-Verhältnis bei einer Druckdifferenz von größer 5 bar zwischen Düseneingang und Düsenausgang. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung der feinteiligen Dispersionen.

Zur Zerkleinerung von Feststoffen sind eine Reihe von Verfahren bekannt geworden, die auf einer mechanischen Behandlung der Feststoffe insbesondere als Feststoffdispersion beruhen. So werden für die Feinmahlung von Zement, Kalk oder Gips Wälzmühlen eingesetzt. Rotor/Stator-Mahlsysteme nutzen z. B. die Kräfte im Scherspalt zwischen Rotor und Stator zur Zerkleinerung. Bei der Pigmentformierung oder der Desagglomeration von Agglomeraten feinteiliger Feststoffe werden z. B. sogenannte Walzenstühle eingesetzt.

Für die dem erfindungsgemäßen Verfahren vom Anwendungsbereich am nächsten kommende Naßzerkleinerung von Feststoffen mit einer mittleren Partikelgröße von kleiner 100 µm werden Kugelmühlen bzw. allgemein Rührwerksmühlen eingesetzt. Diese nutzen die Scherkräfte von Mahlkörpern aus Glas, Keramik, Metall oder Sand und erreichen eine Zerkleinerung auf eine mittlere Partikelgröße (Zahlenmittel) von typischerweise 1 µm. Anwendungsgebiet der Rührwerksmühlen ist die Feinmahlung von empfindlichen grobteiligen Feststoffen. Beispielsweise erwähnt seien die Naßzerkleinerung und Formierung von Dispersionsfarbstoffen in wäßrigen Medien und die Desagglomeration organischer und anorganischer Pigmente in wäßrigen oder organischen Medien (Vergl. hierzu auch Prof. Dr. J. Schwedes, Vortrag Nr. 7 auf der Fachtagung der Gesellschaft für Verfahrenstechnik Chemieanlagen, 1993, in Köln).

Mit der Verarbeitung der Feststoffe auf einer Rührwerksmühle sind aber folgende wesentliche Nachteile in Kauf zu nehmen. Durch die Verwendung von Mahlkörpern kann im Produkt Abrieb der Mahlkörper in der Größenordnung bis zu 1 Gew.-% enthalten sein. Die Mahlwirkung verschwindet bei zu niedriger Viskosität der Eduktdispersion, z. B. bei wasserdünnen Dispersionen, ebenso wie bei hoch viskosen Dispersionen. Durch Reibung wird in Rührwerksmühlen verhältnismäßig viel Wärmeenergie freigesetzt, die sich auf wärmeempfindliches Mahlgut negativ hinsichtlich der Produktqualität auswirkt. Rührwerksmühlen haben zudem einen kleineren Zerkleinerungswirkungsgrad. Damit ist die Volumenenergiedichte für eine bestimmte Zerkleinerungsleistung gemeint. Der Betrieb und der Aufbau von Rührwerksmühlen ist technisch kompliziert, da ein gehobenes Maß an Meß- und Regelungstechnik zur Steuerung der Mühlen notwendig ist. Ferner sind Wartung, Pflege und Unterhaltung der Rührwerksmühlen aufwendig. Die genannte unerwünschte Wärmefreisetzung bedingt einen hohen Aufwand für Kühlung des Mahlgutes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das die Zerkleinerung von Feststoffen ermöglicht, ohne die beschriebenen Nachteile bekannter mechanischer Mühlen in Kauf zu nehmen, und das Feststoffe mit einer Partikelgröße von 0,01 bis 20 µm liefert. Diese und alle weiteren Angaben zur Partikelgröße beziehen sich jeweils auf das Zahlenmittel des Durchmessers.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von feinteiligen Dispersionen von Feststoffen mit einer mittleren Partikelgröße von 0,01 bis 20 µm aus einer grobteiligen Vordispersion, dadurch gekennzeichnet, daß die Vordispersion bestehend aus 1 bis 60 Vol.-% Feststoff und wenigstens 40 bis 99 Vol.-% eines Nicht-Lösungsmittels für den Feststoff, bevorzugt Feststoff mit einer mittleren Partikelgröße < 1 mm, gegebenenfalls zusätzlich von 1 bis 200 Gewichtsteilen Dispergierhilfsmittel und/oder oberflächenaktiven Verbindungen bezogen auf 100 Gewichtsteile Feststoff in mindestens einem Durchgang durch wenigstens eine Düse geleitet wird, die mindestens eine Bohrung oder mindestens einen Schlitzspalt aufweist, mit einem Bohrungsdurchmesser bzw. einer Spaltbreite von 0,05 bis 1 mm sowie einem Länge zu Durchmesser-Verhältnis der Bohrung bzw. einem Tiefe zu Spaltbreite-Verhältnis des Schlitzspaltes von 1 bis 10, und wobei zwischen Düseneingang und Düsenausgang eine Druckdifferenz von mindestens 5, bevorzugt mindestens 10 bar, besteht. Im bevorzugten Verfahren beträgt die mittlere Partikelgröße der Feststoffteilchen der Ausgangsdispersion vor der Zerkleinerung von 0,1 µm bis 1 mm. Das Nichtlösemittel zur Bildung der Dispersion soll insbesondere den Feststoff höchstens zu unter 1 Gew.-%, bevorzugt zu < 0,1 Gew.-% lösen. Der Zerkleinerung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind ebenso Agglomerate von Feststoffteilchen mit einem mittleren Agglomeratdurchmesser von 1 bis 100 µm wie auch Aggregate mit einer mittleren Partikelgröße von 0,1 bis 1 µm grundsätzlich zugänglich. Agglomerate weisen nach Durchführung des Verfahrens beispielsweise eine mittlere Partikelgröße von < 10 µm, Aggregate beispielsweise eine mittlere Partikelgröße von < 0,5 µm auf.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich insbesondere organische und anorganische Farbstoffe oder auch Pigmente, Ruße, Erden, Wirkstoffe für pharmazeutische und Pflanzenschutzanwendungen und andere Feststoffe mahlen, wobei die Aufzählung nur beispielhaft zu verstehen ist.

Die Viskosität der Ausgangsdispersion kann in weiten Grenzen gewählt werden. Wasserdünne Dispersionen sind ebenso leicht bearbeitbar wie höherviskose. Die Dispersionen sollten fließfähig bzw. pumpbar sein.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Herstellung feinteiliger Dispersionen mit einer mittleren Partikelgröße von 0,01 bis 20 µm, bestehend wenigstens aus einem Hochdruckraum und einem Niederdruckraum zur Aufnahme der Dispersionen und einer zwischenliegenden Zerkleinerungsdüse, als Loch- oder Spaltdüse, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrungsdurchmesser bzw. die Spaltbreite der Düse 0,05 bis 1 mm beträgt und das Länge zu Durchmesser-Verhältnis der Bohrung bzw. das Tiefe zu Spaltbreite-Verhältnis des Schlitzspaltes der Düse von 1 bis 10 beträgt. Bevorzugt sind Düsen mit wenigstens zwei mit ihrem jeweiligen Ausgang gegenüberliegenden Bohrungen bzw. Schlitzspalten. Insbesondere bevorzugt sind Düsen, bei denen der Abstand des Ausgangs mindestens zweier gegenüberliegender Bohrungen bzw. Spalte das 2- bis 50fache des Bohrungsdurchmessers bzw. der Spaltbreite beträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Bohrungsdurchmesser bzw. die Spaltbreite eines Spaltes der Düse von 0,1 bis 0,5 mm. Als Material für die Herstellung der Zerkleinerungsdüse werden insbesondere keramische Werkstoffe verwendet, bevorzugt oxidische und graphitische Werkstoffe, oder gegebenenfalls mit den genannten Keramiken beschichtete Werkstoffe. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind soweit nicht ausdrücklich beschrieben, den Patentansprüchen zu entnehmen.

Der komplizierten Meß- und Regelungstechnik von Rührwerksmühlen steht der vergleichsweise einfache Betrieb der Zerkleinerungsdüse gegenüber. Als einfaches Rohrleitungsteil ist die Vorrichtung zur Zerkleinerung gemäß der Erfindung konventionellen Mühlen gegenüber unproblematischer und kostengünstiger zu planen und zu betreiben. Es entfällt die gesonderte Kühlung und der Zerkleinerungswirkungsgrad liegt sehr viel höher, da die Energieausnutzung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung größer ist. Mit dem Verzicht auf Mahlkörper entfällt die Produktverunreinigung durch Abrieb der Mahlkörper. Geeignete bevorzugte Fluide (Nichtlösemittel) zur Bildung der im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Dispersionen werden nach Art des zu zerkleinernden Feststoffes ausgewählt und können z. B. sein:

für Dispersionsfarbstoffe im allgemeinen Wasser

für organische oder anorganische Pigmente im allgemeinen Wasser oder organisches Nichtlösemittel (z. B. Polyol).

Die Zerkleinerungsdüse wird bevorzugt aus harten, widerstandsfähigen, gegebenenfalls inerten, Materialien wie oxidischer, graphitischer und anderer Keramik gebildet, sowie auf Basis mit Keramik oder ähnlich harten Beschichtungen versehener konventioneller Werkstoffe wie Metalle.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Schema einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Schema für den Ersatz der einen Düse in Fig. 1 durch eine n-stufige Düsenanordnung,

Fig. 3 eine Zerkleinerungsdüse zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schnittbild,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine bevorzugte Konstruktion der erfindungsgemäßen Zerkleinerungsdüsen mit gegenüberliegenden Düsenbohrungen,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei gegenüberliegenden Einlochdüsen.

Im einfachsten Fall wird von einem Vorratsbehälter 1 mit Rührer die Dispersion 2 über eine Pumpe 3 und Hochdruckleitung 8 der Hochdruckseite einer Düse 4 zugeführt. Die Dispersion durchläuft die Düse 4 und wird über die Niederdruckleitung 9 entweder dem Behälter 5 für die feinere Produktdispersionen 7 oder durch eine Rückführung 6 dem Ausgangsbehälter 1 für einen erneuten Durchgang zugeführt.

Gemäß Fig. 2 können auch mehrere Zerkleinerungsdüsen 4.1, 4.2 bis 4.n direkt hintereinander geschaltet sein um die Zerkleinerungswirkung zu verbessern.

Beispiel 1

Der Dispersionsfarbstoff C.I. Disperse Red 343 (roter Monoazofarbstoff) und das Dispergiermittel Ligninsulfonat UFOXANE RG der Fa. Borregaard wird im Verhältnis von 10 Teilen zu 8 Teilen bei einer Feststoffkonzentration von 25 bzw. 45 Gew.-% in Wasser zu einer Vordispersion angeschlagen und dabei 0,5 Gew.-%, bezogen auf den Farbstoff von dem Entschäumungsmittel Surfynol 104 E der Fa. Air Products zugegeben.

Die Dispersion wird in ein bzw. mehreren Durchgängen bei verschiedenen Drücken mittels einer gedämpften Membrankolbenpumpe 3 nach Fig. 1 mit einer Einfachdüse 32 aus Zirkonoxid, Bohrungsdurchmesser 0,2 mm entsprechend Fig. 3 zerkleinert und formiert. Der Düsenkörper 31 sitzt eingespannt zwischen den Flanschen 35 und 36 und ist mit Dichtungen 37, 38 gegen den Austritt der Dispersion aus dem Hochdruckraum 33 oder Niederdruckraum 34 abgedichtet.

Wiedergegeben ist jeweils die Partikelgröße d&sub1;&sub0;, d&sub5;&sub0;, d&sub9;&sub0; entsprechend der Verteilungskurve im Vergleich zur Vordispersion, für 25 Gew.-% (Tabelle 1a) und für 45 Gew.-% (Tab. 1b). Tabelle 1a Feststoffkonzentration 25 Gew.-%

Tabelle 1b Feststoffkonzentration 45 Gew.-%

Beispiel 2

Es wurde mit den gleichen Ansätzen wie in Beispiel 1 verfahren, jedoch wurde die Dispersion über eine Düse mit zwei gegenüberliegenden Bohrungen entsprechend Fig. 4 (Beispiel 2.4) mit zwei Bohrungen 42, 42&min; mit 0,5 mm Bohrungsdurchmesser und einem Abstand der Bohrungsausgänge 6,5 mm sowie entsprechend der Vorrichtung nach Fig. 5 mit zwei Bohrungen a 0,2 mm Bohrungsdurchmesser und Abständen der Bohrungsausgänge von 18 und 10 mm (Beispiele 2.1, 2.2, 2.3) zerkleinert. Die Ergebnisse (Partikelgröße) sind in Tabelle 2 im Vergleich zur Vordispersion wiedergegeben. Tabelle 2



Nach Fig. 4 ist die Düse 41 zwischen den Flanschen 45, 46 und den Dichtungen 47, 48 eingespannt. Die Dispersion läuft vom Hochdruckraum 43 über die Bohrungen 42 und 42&min; zum Niederdruckraum 44.

Die Fig. 5 zeigt eine Variante mit abnehmbarem Kopfteil 55 für die Bildung des Hochdruckraumes 53 bzw. 53&min; von denen durch getrennte Düsenkörper 51, 51&min; die Dispersion in den Düsen 52 und 52&min; zerkleinert wird. Hochdruckseite und Niederdruckraum 54 sind mit Dichtungen 57 bzw. 58, 58&min; abgedichtet.

Die Düsenkörper 52, 52&min; werden mit den Schrauben 59 und 59&min; eingespannt.

Beispiel 3

Der Dispersionsfarbstoff Disperse Yellow 5 GL und das Dispergiermittel Ligninsulfat UFOXANE RG der Fa. Borregaard wird im Verhältnis von 10 Teilen zu 3 Teilen bei einer Feststoffkonzentration von 18 Gew.-% in Wasser angeschlagen und dabei 0,5 Gew.-%, bezogen auf den Farbstoff von dem Entschäumungsmittel Surfynol 104 E der Fa. Air Products zugegeben.

Die Dispersion wird in ein und mehreren Durchgängen bei verschiedenen Drücken mittels einer gedämpften Membrankolbenpumpe 3 nach Fig. 1 mit einer Zweifachdüse aus Zirkonoxid, Bohrungsdurchmesser 0,5 mm entsprechend Fig. 4 zerkleinert und formiert.

Tabelle 3 zeigt die erhaltene mittlere Partikelgröße (d&sub1;&sub0;, d&sub5;&sub0;, d&sub9;&sub0; und d&sub1;&sub0;&sub0;-Wert). Tabelle 3

Beispiel 4

Eine organische Farbpigmentvordispersion mit 13 Gew.-% Feststoffanteil für das Einsatzgebiet Automobillack, die in Form grober Agglomerate vorlag (siehe Tabelle 4) wurde bei 200 bar mittels einer Membrankolbenpumpe 10 mal durch eine Düse nach Fig. 4 mit 2 in einem Abstand von 6,5 mm der Düsenausgänge gegenüberliegenden Bohrungen von 0,5 mm nach Fig. 1 feinteilig desagglomeriert. Das Ergebnis ist in Tabelle 4 wiedergegeben. Tabelle 4

Beispiel 5

Das Pflanzenschutzmittel Folicur (Herbizid) wird durch Luftstrahlmahlung auf eine Partikelgröße von 5-10 µm gemahlen.

20 Teile des Pulvers werden anschließend in einem Rührbehälter in 78,5 Teilen Wasser, in dem 1,5 Teile Emulgator Marion A (der Firma Marl-Hüls) gelöst sind, suspendiert.

Die Suspension wird anschließend in 3 Durchgängen bei 500 bar mit einer Dispergiervorrichtung nach Fig. 5, die mit 2 Düsen à 0,2 mm und einem Abstand von 18 mm ausgerüstet ist, auf eine mittlere Partikelgröße von 0,7 µm dispergiert.

Die Dispersion ist stabil und setzt nicht ab.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von feinteiligen Dispersionen von Feststoffen mit einer mittleren Partikelgröße von 0,01 bis 20 µm aus einer grobteiligen Vordispersion, dadurch gekennzeichnet, daß die Vordispersion, bestehend aus 1 bis 60 Vol-% Feststoff und wenigstens 40 bis 99 Vol.-% eines Nichtlösungsmittels für den Feststoff, der bevorzugt eine mittlere Partikelgröße < 1 mm aufweist, gegebenenfalls zusätzlich von 1 bis 100 Gewichtsteile Dispergierhilfsmittel, bezogen auf den Feststoff und/oder oberflächenaktiven Verbindungen in mindestens einem Durchgang durch wenigstens eine Vorrichtung (4) geleitet wird, die mindestens eine Düse (32) oder mindestens einen Schlitzspalt aufweist, mit einem Bohrungsdurchmesser bzw. einer Spaltbreite von 0,05 bis 1 mm, sowie einem Länge zu Durchmesser-Verhältnis der Bohrung bzw. einem Tiefe zu Spaltbreite-Verhältnis des Schlitzspaltes von 1 bis 10, wobei zwischen Düseneingang und Düsenausgang eine Druckdifferenz von mindestens 5, bevorzugt 10 bar, besteht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Partikelgröße der Feststoffteilchen der Ausgangsdispersion vor der Zerkleinerung von 0.1 µm bis 1 mm beträgt.
  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Feststoffe Farbstoffe oder Pigmente eingesetzt werden.
  4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Nichtlösemittel Wasser eingesetzt wird und wobei der Feststoff eine Löslichkeit von < 1 Gew.-% im Nichtlösemittel aufweist.
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsdispersion durch zwei oder mehr Düsen (4.1, 4.2) mit gleichem oder abnehmendem Bohrungsdurchmesser bzw. gleicher oder abnehmender Spaltbreite der Düsen in nacheinander folgenden Durchgängen geleitet wird.
  6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsdispersion, insbesondere zusätzlich, Feststoffagglomerate mit einem mittleren Durchmesser von 1 bis 100 µm und/oder Feststoffaggregate mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 bis 1 µm aufweist.
  7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion nach dem letzten Durchgang durch die Dispergierdüse wenigstens einer zusätzlichen Mahlung in einer Perlmühle unterzogen wird.
  8. 8. Vorrichtung zur Herstellung feinteiliger Dispersionen von Feststoffen mit einer mittleren Partikelgröße von 0,01 bis 20 µm, bestehend wenigstens aus einem Hochdruckraum (33) und einem Niederdruckraum (34) und einer dazwischenliegenden Loch- oder Spaltdüse (32), dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrungsdurchmesser bzw. die Spaltbreite der Düse (32) von 0,05 bis 1 mm beträgt und das Länge zu Durchmesser-Verhältnis der Bohrung in Düse (32) bzw. das Tiefe zu Spaltbreite-Verhältnis des Schlitzspaltes der Düse von 1 bis 10 beträgt.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrungsdurchmesser bzw. die Spaltbreite des Spaltes von 0,1 bis 0,5 mm beträgt.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei Düsenkörper (51, 51&min;) aufweist, deren Düsen (52, 52&min;) mit ihrem Ausgang gegenüber liegen.
  11. 11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eine Düse (41) mit wenigstens zwei mit ihrem Ausgang gegenüberliegenden Bohrungen (42, 42&min;) oder Schlitzspalten aufweist.
  12. 12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Ausgangs mindestens zweier gegenüberliegender Bohrungen (42, 42&min;) oder Düsen (52, 52&min;) bzw. Spalte, die das 2- bis 50fache des Bohrungsdurchmessers bzw. der Spaltbreite betragen.
  13. 13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Zerkleinerungsdüse (31) ein keramischer Werkstoff verwendet wird, insbesondere oxidischer oder graphitischer Werkstoff, gegebenenfalls mit Keramik beschichtete andere Werkstoffe.
  14. 14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 13 zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7.






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