Dispergieren – KREIS-DISSOLVER®

Beim Pigmentpulver, der Ausgangsbasis der meisten Dispergieraufgaben, haften viele Primärteilchen aneinander und bilden Agglomerate, einfache Zusammenballungen dieser Teilchen. Die entscheidende Aufgabe einer Dispergiermaschine ist das Aufbrechen der Agglomerate und die Benetzung, also die Umhüllung jedes einzelnen Primärteilchens mit dem Bindemittelfilm.
                                        

Der Dispergierprozess

Verantwortlich für die Eigenschaften von Farben und Lacken ist eine optimale Dispergierung und Stabilisierung von Pigmenten und Füllstoffen. Maximale Farbstärke, Glanz und Deckkraft sind abhängig von der erreichten Teilchengröße  der zu dispergierenden Feststoffe.

Dabei unterscheidet man Feststoffe wie Pulver in drei Teilchensorten:

  1. Primärteilchen – Bestehen aus einem einzigen Partikel oder Kristall. Sie können nur gemahlen und nicht dispergiert werden.
  2. Aggregate – sind Zusammenschlüsse von Primärteilchen, die an den Flächen miteinander verschmolzen sind. Aggregate lassen sich ebenfalls nur mahlen und sind nicht dispergierbar.
  3. Agglomerate – sind mehrere aneinander liegende Primärteilchen und/oder Aggregate. Agglomerate sind im Gegensatz zu Primärteilchen und Aggregaten dispergierbar.

Ziel der Dispergierung ist es also agglomerierte Feststoffe (meist Pulver) in kleinere Agglomerate und Primärteilchen zu zerteilen und diese in einem Medium zu stabilisieren. Dies erreicht man beispielsweise durch geeignete Additive. Je kompakter die zu dispergierenden Agglomerate und Aggregate sind, desto höher müssen die darauf einwirkenden Scherkräfte des Dissolvers sein. Eine weitere wichtige Aufgabe ist die Benetzung aller Primärteilchen mit dem Bindemittelfilm. Der Grad einer Dispersion beeinflusst die physikalischen und optischen Eigenschaften eines Produktes.

Dies unterscheidet den Dispergierprozess vom Mahlprozess, da beim Dispergieren lediglich physikalische Bindungen gebrochen werden. Sobald man Aggregate, also chemische Verbindungen trennen, ist ein zehnfach höherer Energieaufwand dafür nötig. Man spricht dann vom Mahlprozess.

Pigmentdispergierung

Für eine wirtschaftliche Farben- und Lackproduktion ist es heute unerlässlich die Pigmente maximal auszunutzen. Mit den KREIS-DISSOLVER®n in Verbindung mit der bewährten NIEMANN-Verfahrenstechnik ist es z.B. möglich TiO2-Weißlacke oder Flexdruckfarben maximal auszureiben.

Feinheiten < 5µm sind problemlos möglich. Nach dem Dispergieren des Mahlgutes wird dieses in einem Prozessbehälter komplettiert. Ein Vermahlen mit Rührwerksmühlen ist nicht erforderlich. Durch das maximale Ausreiben des Pigmentes ist bei gegebener Standardfarbstärke eine Reduzierung der Pigmentmenge möglich. Folge ist eine nicht unerhebliche Kosteneinsparung.

Ebenfalls lassen sich anorgansiche Pigmente mit dem KREIS-DISSOLVER® oft bereits auf Endqualität (Feinheit, Farbstärke, etc.) dispergieren.

Pigmentmodell

Doughnut-Effekt

Während der Dispergierung müssen sämtliche Parameter des Dissolvers so aufeinander abgestimmt sein, dass sich eine Doughnut-Struktur um die rotierende Zahnscheibe bildet. Diese Formbildung signalisiert einen maximalen Energieeintrag in das zu dispergierende Produkt.

Wichtige Faktoren hierbei sind der Durchmesser der Zahnscheibe im Verhältnis zum Durchmesser des Behälters, zur Scheibenhöhe über dem Behälterboden und zur Einfüllhöhe des Mahlgutes. Ein weiterer wichtiger Punkt für ein optimales Dispergierergebnis ist die Umfangsgeschwindigkeit der Zahnscheibe. Erst ab einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 20 m/sec kann eine Dispergierung des Mahlguts stattfinden. Bei niedrigeren Drehzahlen erzielt man bestenfalls einen Rühreffekt. Entsprechend bildet sich kein Doughnut.

Das Fließbild des Doughnuts wird durch die Viskosität des Produktes beeinflusst. Bei einer zu geringen Viskosität, kann kein ausreichender Leistungseintrag erzielt werden. Der Produktansatz beginnt zu schäumen und zu spritzen. Es findet keine Doughnutbildung statt. Bei zu hoher Viskosität beginnt der Ansatz zu stocken, wodurch nicht mehr alle Pigmente die Zahnscheibe erreichen. Im schlimmsten Fall dreht die Zahnscheibe nach einer gewissen Zeit ins Leere.

Variable Drehzahlverstellung

Ideale Voraussetzungen für eine Dispergierung ermöglicht die variable Drehzahlverstellung. In der Vergangenheit wurde dieses fast ausschließlich über mechanische Regelgetriebe realisiert. Heute werden die meisten Dissolverantriebe mit einem Frequenzumrichter zur variablen Drehzahlverstellung ausgestattet.

Eine variable Drehzahlverstellung ermöglicht es die Drehzahl dem Produktionsschritt (Dosieren von Flüssigkeiten und Pulvern, Dispergieren, Auflacken) und somit der Produktviskosität anzupassen.

Höhenverstellbare Zahnscheiben

Eine weitere wichtige Voraussetzung ist die Höhenverstellbarkeit der Zahnscheibe. Bei Beginn des Produktionsablaufes wird die Dispergierscheibe nah über den Behälterboden gefahren, um mit der erforderlichen geringen Bindemittelmenge starten zu können.

Mit steigendem Füllstand durch Rohstoffzugaben ist die Position der Dispergierscheibe im Mischbehälter nachzuführen. Dieses gewährleistet eine gleichmäßige Umwälzung, ein ideales Strömungsbild (Doughnut-Effekt) und damit eine einwandfreie Dispergierung des Produktes.

Dissolverbetrieb und Energiebedarf

Bei optimaler Mahlgutzusammensetzung wird die Antriebsenergie des Dissolvers durch Scherenergie in Reibungswärme gewandelt. Bei einer mittleren Dispergierdauer von 10min sollte die Produkttemperatur dementsprechend ansteigen. Der Temperaturanstieg ist somit ein Indiz für den Dispergiergrad, d. h. für die Feinheit des Produktes.

Um einen entsprechenden Dispergiergrad zu erzielen, sind leistungsstarke Dissolver die Voraussetzung. Bei der Berechnung des Energiebedarfes kommt es aber im Wesentlichen darauf an, wie die Leistung während des Produktionsprozesses eingesetzt wird.

Aufgrund der kurzen Dispergierzeit und der Tatsache, dass die volle Antriebsleistung nur in der eigentlichen Dispergierphase benötigt wird, sind die Energiekosten oft geringer als bei nicht richtig eingesetzten leistungsschwächeren Dissolvern und alternativen Dispergiersystemen. So braucht ein 110 kW-Dissolver für eine 2000 kg-Charge während der Chargenzeit von nur 10 min. weniger als 18 kWh. Bei einem Grundpreis von EUR 0,18/kWh ergibt das für 2000 kg des Produktes etwa EUR 3,30 Energiekosten, für jedes Kilogramm somit deutlich weniger als einen halben Cent. Ganz abgesehen von der gesteigerten Produktqualität.

Umfangsgeschwindigkeit

V = Umfangsgeschwindigkeit, d = Dissolverscheibe Ø in mm, n = Umdrehungen min-1

Die Wirtschaftlichkeit von Dissolvern im Systemvergleich

Die langjährige, intensive Entwicklungsarbeit hat die KREIS-DISSOLVER® immer leistungsfähiger gemacht. Heute kann ein sehr großer Teil der Anstrichstoffe in hoher Qualität, ohne Einsatz von Perlmühlen, mit dem KREIS-DISSOLVER® produziert werden. Selbst dann, wenn besonders schwer dispergierbare Pigmente noch den Einsatz anderer Reibmaschinen erfordern, ist eine optimale Vordispergierung, auch aus wirtschaftlichen Gründen, unerlässlich.

Ein ungenügend vordispergiertes Produkt erfordert somit längere Laufzeiten auf anderen Systemen. Daraus ergibt sich, dass Versäumnisse oder Fehler bei der Vordispergierung nachher nicht mehr oder nur mit sehr hohem Aufwand in den nachfolgenden Produktionsschritten ausgeglichen werden können.

Die Form von Dispergier-Werkzeugen

Eine wichtige Voraussetzung für die Erfüllung der Dispergieraufgabe ist eine gleichmäßige Produktumwälzung bis in die Randzonen des Mischbehälters. Dabei ist es nach unseren Erkenntnissen nicht entscheidend, welche Form von Rührscheiben, Zahnformen usw. eingesetzt werden.

Es ist sogar denkbar, dass bei entsprechend großem Durchmesser mit völlig glatten Scheiben ein einwandfreies Ergebnis erreicht wird. In der Praxis haben glatte Scheiben allerdings den Nachteil, dass bei der Pigmentzugabe der Kontakt zum Mischgut nicht immer gesichert ist.

Für hochgefüllte Systeme wie Dispersionsfarben, Spachtelmassen, PVC-Pasten, Grundierungen, Marine Coatings, Titandioxidpasten und Kleb- und Dichtstoffen hat sich die Doppelsogzahnscheibe am Markt bewährt.

Hochviskose Pasten

Die gesteigerten Qualitätsansprüche an die heutigen Produkte erfordern für die Fertigung immer optimalere Einrichtungen. Selbst Pasten und hochviskose Produkte bis über 500.000 cPa, die heute noch vielfach mit Knetern oder Planetenrührern hergestellt werden, können mit unserem KREIS-DISSOLVER® nicht nur wirtschaftlicher, sondern auch in wesentlich besserer Qualität gefertigt werden.

Auch für die Herstellung von hochwertigen Polyester-Karosserie-Spachteln sowie glasfasergefüllten Sonderqualitäten, ist der Vakuum-KREIS-DISSOLVER® mit viskositätsabhängiger Drehzahlsteuerung heute „Stand der Produktionstechnik“. Auch hierbei nimmt die bessere Dispergierung einen positiven Einfluss auf die Lagerstabilität.

Einsatz von Behälterwandabstreifern

Optimale Dispergierergebnisse werden bei einer laminaren Strömung im Mischbehälter erzielt. Neben anderen konstruktiven Maßnahmen können Behälterwandabstreifer bei der Herstellung extrem thixotroper Produkte, beim Vermischen von fertig dispergierten Produkten und bei temperierten Dispergierprozessen zum besseren Wärmeübergang (Behälterwand  Produkt) hilfreich sein.

Bei geschlossen Systemen z.B. beim KREIS-DISSOLVER® in Aufbauausführung kommen oft Behälterwand- und Bodenabstreifer zum Einsatz. Dort unterstützen die Abstreifer den Reinigungs- und Entleerungsprozess.

KREIS-DISSOLVER® mit Wiegetechnik

Viele Produktionsverfahren mit Dissolvern beruhen auf zu niedrigviskos eingestellten Mahlgutkonzentrationen. Der Grund besteht häufig darin, dass mit fahrbaren Mischbehältern zu große Mengen an Bindemitteln an Dosierstationen eingewogen werden. Nach Abschluss der Dispergierung erfolgt die Verdünnung dann ebenfalls durch Bewegen des Behälters zur Dosierstation, da der Transport von abgewogenem Bindemittel - welches für die Auflackung benötigt wird - evtl. Schwierigkeiten bereitet.

Da ein hochkonzentrierter Dispergieransatz jedoch die Auflackung (d.h. Zudosierung) bei laufender Maschine erfordert, muss die Dosierung direkt nach der Dispergierung in den Mischbehälter am laufenden Dissolver erfolgen.

Die Wiegetechnik ist oft die Voraussetzung für automatische Produktionsverfahren. Es können Rohstoffe bei präzise arbeitenden Wägesystemen direkt aus dem Silo, Big-Bags oder manuell in den Produktionsbehälter dosiert werden. Weiterhin wird das Waagensignal zur Steuerung der Dispergierparameter genutzt.

Prozessleitsystem KD-BATCH-CONTROL®

KD-BATCH-CONTROL® ist eine rezepturgeführte, halb- und vollautomatische PC/SPS-Steuerung made by NIEMANN. Ob der Produktionsprozess halb- oder vollautomatisch ist, richtet sich nach dem Automatisierungsgrad der zur Verfügung stehenden flüssigen und pulvrigen Rohstoffe.

Die Dispergierparameter werden bedienerunabhängig vom System gesteuert. Dieses ist die Grundvoraussetzung für reproduzierbare und hohe Produktqualitäten.

CIP Reinigung von KREIS-DISSOLVER®n

Für Großdissolver in geschlossener Ausführung, welche vollautomatisch betrieben werden, ist eine CIP Reinigung bei Produktwechseln unerlässlich.

Je nach Anwendungsfall – z.B. bei wasserbasierenden Dispersionsfarben oder lösemitthaltigen Industrielacken- können die KREIS-DISSOLVER® mit Reinigungssystemen ausgestattet werden. Unterschieden werden linearverfahrbare Reinigungslanzen, festinstallierte Reinigungsköpfe und motorisch oder durch das Fluid angetriebene Reinigungsdüsen.

WILHELM NIEMANN - Maschinen für die Farbenindustrie, die Lackindustrie sowie die chemische Industrie:

Wir sind Ihr Spezialist für Dispergiertechnik und Feinmahltechnik:
Dispergierer für hochviskose Produkte, Dissolver zum Mischen des Mahlgutes u.a. für Produkte der Pharma- und Kosmetikbranche.