Dosieren und Dispergieren

EIN DOSIER- UND DISPERGIERSYSTEM ZEIGT IM TEST UNTER REALEN BEDINGUNGEN, DASS SICH DAMIT DIE BENÖTIGTE ADDITIVMENGE UM BIS ZU 60 % REDUZIEREN LÄSST.

Von Marc Giersemehl, Christian Begass und Fabian Mertens erschienen in "FARBE UND LACK 02/2020"

Bei der Pulverlackaufbereitung werden Additive wie Aluminiumoxid (AI2O3) oder Siliziumdioxid (SiO2, Silica), also Silica, eingesetzt, um die Fließfähigkeit der Feststoffteilchen zu verbessern. Die Kosten für Additive bei der Pulverlackherstellung lassen sich senken, indem die Dispergierung des Additivs im Pulverlack verbessert wird. Damit verringert sich die erforderliche Menge an Additiven, während die gewünschte Fließfähigkeit erhalten bleibt.

Zu den Additiven im Pulverlack gehören Verlaufsmittel, Mattierungsmittel, Strukturadditive, Fließfähigkeitsmittel und Wachse, welche die Oberfläche beeinflussen Die meisten Pulverlackadditive werden mit der Vormischung verbunden und während der Extrusion in die Formulierung eingearbeitet. Additive, welche die Fließfähigkeit beeinflussen, etwa Aluminiumoxid und Silica, werden jedoch erst nach dem Extrudieren mit dem Pulverlack vermischt. Diese Post-Blend-Additive werden entweder vor, während oder nach dem Mahlen zugeführt [1].

Für das Aufbringen der Pulverbeschichtung ist vor allem die Fließfähigkeit wichtig. Die Additive, hauptsächlich Aluminiumoxid und Silica, erleichtern den Transport des Pulverlacks, vermeiden Oberflächendefekte und das Spucken während der Applikation des Pulverlacks. Aluminiumoxid verbessert zudem die Lagerstabilität, es verhindert die Feuchtigkeitsaufnahme von Pulverlacken und verbessert die Kantenbeschichtung der Substrate. Zusätzlich erhöht Aluminiumoxid die elektrostatisch positive Aufladbarkeit von Tribo-Pulvern [2].

In der Regel werden ca. 20 t bis 50 t Additive pro 10.000 t Pulverlack benötigt. Ziel ist es, die dem Pulverlack bei der Herstellung beigefügte Menge Aluminiumoxid oder Silica zu reduzieren. Auch die Qualität des Pulverlacks soll verbessert werden. Weiße Flecken auf der Lackoberfläche, die durch Agglomeration im Pulverlack enstanden sind, sollen reduziert oder vermieden werden.

Additive zuführen

In der Vergangenheit war es üblich, die Additive manuell in die Pulverlackboxen zu geben. Später fügten Pulverlackhersteller die Additive dem Pulverlack im Chips-Container hinzu. Eine weitere Möglichkeit bestand darin, das Additiv durch Zellenradschleusen zuzuführen. Später wurden die Additive am Sieb nach dem Zyklonaustrag beigefügt.
Der Additiv-Saugeinlass erlaubt die Additivzugabe vor der Mühle (Abb. 1), der Additiv-Injektor die Zugabe zwischen Zyklonsichter und Sieb (Abb. 2).

Mit dem Saugeinlass wird das Additiv aufgrund des Unterdrucks in der Pulverlackmahlanlage in die Produktzuführleitung gefördert. Das Additiv strömt mit den Pulverlackchips in eine Prallsichtermühle (Impact Classifier Mill, ICM). In der Mühle wird das Additiv mit dem Pulverlack vermischt. Der Nachteil ist, dass ein Teil des Additivs im Filter verloren geht.
Beim Additiv-Injektor strömt das Additiv mit Druckluft pneumatisch in den Additiv-Adapter. Im Adapter wird das Additiv mit dem Endprodukt vermischt. Im Vergleich zum Saugeinlass ist der Additivverbrauch beim Injektorverfahren geringer. Jedoch wird das Additiv schlechter mit dem Pulverlack vermischt. Es gibt nun ein neues System, das die Additivmenge reduziert und die Qualität des fertigen Pulverlackprodukts verbessert.

Im Mahlsystem

Das neue Additivdosier- und -dispergiersystem besteht aus einer Additivdosiereinheit und einer Dispergiereinheit (Abb. 3). Die Dosiereinheit besteht aus einem gravimetrischen Dosierer und einer Transporteinheit. Im Gegensatz zu den Standardadditivsystemen gibt das neue System das Additiv gravimetrisch auf. Der gravimetrische Dosierer hat ein Doppelschnecke. Ein Gebläse in der Transporteinheit fördert das Additiv in der Dispergiereinheit. Dort werden die Additive dispergiert und mit dem fertigen Pulverlack vermischt.
Das neue System wurde mit dem Additiv- Saugeinlass und dem Additiv-Injektor verglichen. Um vergleichen zu können, wurde das Additiv bei den konventionellen Additivsystemen ebenfalls mit einem gravimetrischen Doppelschneckendosierer aufgeben. Die Tests fanden unter realen Bedingungen mit dem ICM60-Mahlsystem bei denselben Randbedingungen und Parametern statt (Abb. 4).
In den Tests wurden zwei Additive mit unterschiedlichen Eigenschaften mit den drei Additivsystemen in der ICM-Mühle verwendet: Aluminiumoxid, AL2O3, und Silica, SiO2. Auch das Problem der weißen Flecken auf z.B. schwarzen pulverlackbeschichteten Oberflächen wurde geprüft. Dazu wurde schwarzer Pulverlack im Mahlsystem vermahlen, und mit dem neuen System wurden Additive zugeführt.
Dabei wird der Additivmassenstrom auf 0,1 % bis 0,5 % Additiv bezogen auf den Pulverlackmassenstrom verändert. Zur Beurteilung wird die Fließfähigkeit des fertigen Pulverlacks mit einem Pulverrheometer gemessen. Das Rheometer misst die Scherspannung, die mit der Fließfähigkeit korreliert. Je niedriger der Messwert ist, desto besser ist die Fließfähigkeit.

Im Rotationsrheometer

Damit die Ergebnisse des neuen Additivdosier- und -dispergiersystem hinreichend überprüft werden konnten, wurde ein Rotationsrheometer zur Messung der rheologischen Eigenschaften des fertigen Pulverlacks eingesetzt (Abb. 5). Vor allem das Fließverhalten bzw. die Fließfähigkeit wurde untersucht.
Vermahlener Pulverlack wird zwischen der stillstehende Platte und der oszillierenden Platte gegeben. Durch die Rotation der oszillierenden Platte wird die Probe auf Scherung belastet und eine Schubspannung erzeugt.
Hierbei wird die Probe sinusförmig belastet. Es wird zwischen zwei unterschiedlichen Modi unterschieden: den spannungsgeregelten Modus und den verformungskontrollierten Modus. Beim spannungsgeregelten Modus wird auf die oszillierende Platte ein definiertes Drehmoment übertragen und daraus die Schubspannung abgeleitet. Die aus der Schubspannung resultierende Verformung wird messtechnisch erfasst. Beim verformungskontrollierten Modus wird ein Verdrehwinkel vorgegeben. Das Drehmoment, welches für die Verformung erforderlich ist, wird gemessen und ist proportional zur Fluidviskosität [3].

Es können mehrere Geometrien für die oszillierende Platte und Rührergeometrien nach einer Kalibrierung verwendet werden, sofern eine Drehmomenten- und Drehzahlmessung möglich ist
Häufig werden Scheibenrührer, etwa beim Brookfield-Viskometer und Mooney-Scherscheibenviskometer, oder Blattrührer, etwa beim Rotating Vane, eingesetzt. Die Vorteile dieser Methode sind eine gute Homogenität der Probe durch die Mischwirkung sowie unkomplizierter Aufbau, Bedienung, Messung und Reinigung [4–6].

Weniger ist mehr
Die Abb. 6 und 7 zeigen die Fließfähigkeitsergebnisse für die verschiedenen Additivsysteme in Abhängigkeit vom Additivmassenstrom, der auf dem fertigen Pulverlackprodukt basiert.
Der Additivmassenstrom wird für Aluminiumoxid auf 0,015 % bis    0,3 % und für Silica auf 0,04 % bis 0,5 % eingestellt. Die Unterschiede zwischen Aluminiumoxid und Silica sind die Schüttdichte und die elektrostatische Aufladung des Pulvers. Aluminiumoxid hat eine Schüttdichte von ca. 50 g/dm³ und Silica eine von 150 g/dm³. Die elektrostatische Aufladung des Silicas ist höher als die des Aluminiumoxids. Aufgrund dessen weist Silica mehr Agglomerate auf. Gemäß Abb. 6 wird mit dem neuen System eine ähnliche Fließfähigkeit mit 44 % weniger Aluminiumoxid als mit dem Additiv-Injektor erreicht.
In Abb. 7 ist zu sehen, dass mit dem Additiv Silica der Trend ähnlich dem in Abb. 6 mit dem Additiv Aluminiumoxid ist. Mit dem neuen Additivzuführsystem wird jedoch eine ähnliche Fließfähigkeit mit    26 % weniger Silica als mit dem Additiv-Saugeinlass erreicht. Im Vergleich zum Additiv-Injektor wird mit dem neuen System bei gleicher Fließfähigkeit ca. 63 % Silica weniger gebraucht. Mahlversuche mit schwarzem Pulverlack und unterschiedlichen Additivmengen in Verbindung mit dem neuen System zeigen, dass die pulverlackbeschichtete Oberfläche keine weißen Flecken aufweist.

Besser dispergiert
Das neue Additivdosier- und -dispergiersystem kombiniert die Vorteile des konventionellen Additiv-Saugeinlasses und des Additiv-Injektors. Aus zwei Gründen reduziert das neue System den Additivverbrauch. Zum einen erreicht die neue Additivdosiereinheit in Verbindung mit dem gravimetrischen Dosierer und der Fördereinheit einen konstanten Additivmassenstrom. Mit dem gravimetrischen Dosierer wird der Massenstrom so eingestellt, dass er eine Abweichung von ca. 5 % aufweist. Im Gegensatz zum Volumenstrom hängt der Massenstrom von der additiven Schüttdichte ab. Damit kann die Massenstromabweichung bis zu 50 % betragen.
Der zweite Grund für den geringeren Additivverbrauch ist die verbesserte Additivdispersion in der Dispergiereinheit. Hier wird die Mischung zwischen Additiv und dem fertigen Pulverlackprodukt verbessert.
Die neu entwickelte Additivdispergiereinheit reduziert den Additivverbrauch um bis zu 63 % und verbessert die Pulverlackqualität.

Ausblick

Die vorhandenen und künftigen Mahlsysteme können mit dem neuen Dosier- und Dispergiersystem ausgestattet werden. Für mehr Effizienz kann das neue System mit der Packstation von Niverplast kommunizieren, um den aktuellen Massenstrom zu ermitteln. Damit lässt sich der additive Massenstrom exakt nach Bedarf einstellen.
Um die Wirkung weiterer Additive im neuen System zu analysieren, werden Tests mit verschiedenen Additiven durchgeführt. Darüber hinaus werden die weißen Flecken auf schwarzen und anderen farbigen pulverlackbeschichteten Oberflächen analysiert.

Marc Giersemehl

Jahrgang 1970, studierte Verfahrenstechnik an der Hochschule Niederrhein in Krefeld. 1995 schrieb er seine Diplomarbeit über den Zyklonsichter CSF bei NEUMAN & ESSER und ist seitdem dort ununterbrochen tätig. Er verantwortet heute dort als Technischer Geschäftsführer den technischen Bereich einschließlich der Forschung und Entwicklung.

Übertragung denkbar

Interview mit Marc Giersemehl geführt von Kirsten Wrede

Lassen sich die Vorteile, die sich für die Pulverlackherstellung ergeben, auch auf andere Lacksysteme übertragen?
Eine Übertragung auf andere Lacksysteme ist denkbar – realisiert haben wir das noch nicht. Wir kennen uns sehr gut mit der mechanischen Verarbeitung von Pulverlacken aus und haben das zum Anlass genommen, hier zunächst die Lösung eines Dauerdiskussionsthemas zu erarbeiten.

Wie aufwändig ist es, das neue System in bestehende Produktionsprozesse zu integrieren?
Erstaunlich wenig aufwändig – unsere Ingenieure montieren die Einheit innerhalb von zwei bis drei Stunden und nehmen sie dann direkt in Betrieb. Oft dauern die rheologischen Untersuchungen im Labor länger als die Installation. Die Dosier- und Dispergiereinheit ist so aufgebaut, dass sie sowohl in unsere bestehenden Anlagen als auch in Anlagen anderer Hersteller integriert werden kann.

Lässt sich bereits sagen, ob die Reduzierung des Additivverbrauchs bei anderen Additivtypen genauso signifikant ausfällt?
Da die meisten post-blend Additive zur Steigerung der Fließfähigkeit eine ähnliche chemische Struktur aufweisen, wie die im Fachbericht untersuchten, gehen wir von einer sehr guten Übertragbarkeit der Ergebnisse aus. Außerdem hat sich in Langzeitmessungen gezeigt, dass unser System zu einem noch geringeren Additivverbrauch führt als zunächst bei den ersten Untersuchungen im Produktionsbetrieb ermittelt.

Christian Begass

Jahrgang 1982, studierte im Master Entwicklungsmanagement an der FH Aachen. Im Jahr 2010 schrieb er seine Bachelorarbeit bei NEUMAN & ESSER. Im Anschluss schrieb er 2012 seine Masterarbeit bei FEV Europe. Er ist seit 2013 Produktmanager ICM Pulverlack bei NEUMAN & ESSER Process Technology.

Fabian Mertens

Jahrgang 1991, studierte im Master Verfahrenstechnik an der RWTH Aachen. 2014 und 2016 schrieb er seine Bachelor bzw. Master-Thesis bei NEUMAN & ESSER Process Technology. Er ist dort seit 2014 Mitarbeiter der Abteilung Forschung & Entwicklung. Zuvor hat er ein Duales Studium in Verbindung mit einer gewerblichen Ausbildung als Industriemechaniker bei NEUMAN & ESSER Compressors absolviert.

Literatur
[1] The Role of Additives in Powder Coatings; Paint & Coatings Industry; Fall 1999 Vol. 1;No. 1.
[2] Aerosil und Aeroxide, Pyrogene Metalloxide für Pulverlacke, Technische Information 1340, Evonik Industries
[3] Schramm, G.: Einführung in Rheologie und Rheometrie, Karlsruhe, 1995.
[4] Kulicke, W.-M.: Fließverhalten von Stoffen und Stoffgemische, Hüthig&Wepf, Heidelberg, 1986.
[5] Macosco, C.W.: Rheology – Principles, Measurements and Applications; VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, 1994.
[6] Gehm, L.; Teubner, B. G.: Rheologie: Praxisorientiere Grundlagen und Glossar, Stuttgart, 1981.
[7] Chemie, Rheologie und Grenzflächenphänomene in hochviskosen Medien; Institut für Polymerforschung Dresden e.V.; Dresden; 1996.