Das Stativ
Willkommen
Dispergier- und Mahlsysteme für Labor und Technikum
Dispergier- und Mahlsysteme für die Produktion
Know-How
Dispergieren mit Dissolvern
Feinmahlen mit Perlmühlen
VMA-GETZMANN
Informationsmaterial
Newsletter
CERTIFIED QUALITY MANAGEMENT SYSTEM --- TÜV-CERT --- VMA-GETZMANN GMBH


Dispergieren mit Dissolvern

Einführung in die Dispergiertechnologie mit dem Dissolver DISPERMAT® CA




Inhaltsverzeichnis



1. Der Dispergierprozess

Die wichtigste Anwendung des Dissolvers besteht darin, feinstteilige Feststoffe in Flüssigkeiten einzuarbeiten, wobei kolloid-disperse Systeme entstehen. Kolloid-disperse Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass die in ihnen dispergierten Feststoffteilchen aufgrund ihrer geringen Größe im Schwerefeld der Erde nicht sedimentieren können. Bei diesem Vorgang des Dispergierens laufen drei Einzelschritte nebeneinander ab.

Es sind dies:
  • Der Dispergierprozess:
    Benetzen, zerteilen, stabilisieren.
  • die Benetzung der Oberfläche der Feststoffteilchen durch das flüssige Medium
  • die mechanische Zerteilung von miteinander assoziierten Feststoffteilchen (Agglomerate und Aggregate) zu kleineren Teilchen
  • die Stabilisierung der bei der Dispergierung neu entstehenden kleineren Teilchen gegen eine erneute Zusammenlagerung (im Sprachgebrauch auch „Flockulation“ oder besser Flockung genannt).

Die Benetzung der Feststoffteilchen und ihre Stabilisierung gegen Flockung wird durch spezielle Wechselwirkung zwischen ihnen und der flüssigen Phase bestimmt.
Dissolverscheibe
Dispergieren mit DISPERMAT® Dissolvern

↑ zurück zum Inhaltsverzeichnis

2. Der Doughnut-Effekt

Die besten Dispergierergebnisse mit dem DISPERMAT® werden erzielt, wenn sowohl die Geometrie des Arbeitsgefäßes als auch der Durchmesser, die Umfangsgeschwindigkeit und der Bodenabstand der Dissolverscheibe sowie die Fließeigenschaften des Mahlgutes aufeinander abgestimmt sind.

  • Auf den Doughnut kommt es an!
Nach dem Mischen der flüssigen und pulverförmigen Komponenten wird das Mahlgut durch Erhöhung der Drehzahl in eine rollende, turbulenzfreie Bewegung versetzt, bis keine stehenden Zonen an der Behälterwandung mehr vorhanden sind. Es bildet sich eine Trombe, wobei ein Teil der Dissolverscheibe sichtbar wird. Dieses Fließbild wird auch als „Doughnut-Effekt“ bezeichnet.

Die Entstehung der Trombe zeigt dem Anwender des Dissolvers an, dass er einerseits den größtmöglichen mechanischen Leistungseintrag in das Rührgefäß verwirklicht hat, andererseits aber auch, dass das Mahlgut vollständig durchmischt wird, so dass alle Agglomerate in den Bereich der rotierenden Dissolverscheibe gelangen. Der Doughnut-Effekt bildet sich bei laminarer Strömung des Dispergieransatzes dann aus, wenn das Mahlgut von der rotierenden Zahnscheibe tangential nach außen hin beschleunigt wird, wobei sich der Mahlgutstrom an der Wandung des Dispergiergefäßes teilt. Der untere Teil des Mahlgutes läuft am Boden des Dispergiergefäßes zurück zur Mitte unterhalb der Welle und steigt dann wieder auf, wobei er erneut die Zahnscheibe trifft. Der zweite Teilstrom bildet die von oben sichtbare Trombe aus.

Der Doughnut-Effekt
Das Fließbild des Doughnut-Effektes wird entscheidend durch die zugesetzte Menge an Feststoffanteilen bestimmt. Ist zu wenig Feststoff in dem Mahlansatz, so ist die Viskosität zu niedrig. Das hat dann ein Spritzen und Schäumen des Mahlansatzes während der Dispergierung zur Folge. Außerdem wird aufgrund des geringen mechanischen Leistungseintrages die Zerteilungswirkung der Dissolverscheibe erheblich beeinträchtigt. Ist hingegen zu viel Feststoffanteil in dem Mahlansatz, so wird die Viskosität zu hoch, um ein optimales Fließbild zu gewährleisten. Es bildet sich eine Fließgrenze aus, und der Mahlansatz wird stockig. Die Folge wird dann sein, dass die Zahnscheibe innerhalb des Mahlansatzes „rupft“ und im Extremfall sogar frei läuft.

↑ zurück zum Inhaltsverzeichnis

3. Die Zerteilungswirkung der Dissolverscheibe auf agglomerierte Feststoffteilchen

Werden die Zähne der Dissolverscheibe mit hoher Geschwindigkeit durch das Mahlgut bewegt, so baut sich an ihrer Vorderseite ein Druck auf, während sich hinter ihnen ein Unterdruck ausbildet. Die Wechselbeanspruchung der Feststoffteilchen in den Druck- und Soggebieten trägt zu ihrer Zerteilung bei.

Außerdem dürften die Zähne der Dissolverscheibe vor allem auf größere Agglomerate eine Prallwirkung ausüben. Ein bedeutender Anteil der Dispergierarbeit findet aber auch an den Flächen der Scheibe statt. Aufgrund der schnellen Drehung der Zahnscheibe in dem Mahlgut bildet sich an ihren Flächen eine Scherströmung aus, in der die Feststoffzusammenballungen zerteilt werden. Die Scherwirkung, die sich vor allen Dingen an der Unterseite der Zahnscheibe ausbildet, hängt wesentlich auch von deren Abstand über dem Boden des Dispergiergefäßes ab. Die Wirksamkeit dieses Scherfeldes lässt sich verbessern, wenn man den Abstand der Zahnscheibe zum Gefäßboden verringert. Durch diese Maßnahme wird einerseits die Schergeschwindigkeit zwischen der Unterseite der Zahnscheibe und dem Gefäßboden erhöht, andererseits werden aber auch höhere Drehzahlen möglich, weil der Übergang von laminarem zu turbulentem Fließen erst später erfolgt.

Außerdem lässt sich in diesem Fall durch Erhöhung der Drehzahl der Rührwelle eine weitere Steigerung der mechanischen Rührleistung bewirken. Die besten Dispergierergebnisse werden in der Regel dann erzielt, wenn mit der höchsten mechanischen Rührleistung gearbeitet wird, ohne dabei den Doughnut-Effekt zu zerstören.

Die mechanische Rührleistung P (W) wird durch das Produkt von Drehzahl n (1/sec) und Drehmoment M (Nm) der Rührwelle bestimmt (π = 3,141...).

P = π n M



Geometrie im Dispergierbehälter

Geometrie im Dispergierbehälter

Umfangsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Drehzahl und des Dissolverscheibendurchmessers.

Umfangsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Drehzahl und des Dissolverscheibendurchmessers.

Empfohlener Dissolverscheibendurchmesser in Abhängigkeit von der Viskosität und der Behältergröße.

Empfohlener Dissolverscheibendurchmesser in Abhängigkeit von der Viskosität und der Behältergröße.

↑ zurück zum Inhaltsverzeichnis

4. Arbeitsweise und Optimierung der Mahlgutzusammensetzung

In der Praxis hat sich folgende einfache Vorgehensweise bewährt: Zunächst wird die flüssige Komponente vorgelegt. Dann gibt man bei langsam laufender Dissolverscheibe soviel pulverförmigen Feststoff portionsweise zu, bis sich bei schnelllaufender Dissolverscheibe (Umfangsgeschwindigkeit der Dissolverscheibe 18 – 25 m/s) das Fließbild des Doughnut-Effekts ausbildet.

  • Keine Angst vor hohen Drehzahlen!
Nach dem Einrühren muss die Behälterwand und die Dissolverwelle unbedingt von anhaftendem Mahlgut gesäubert werden. Erst jetzt wird der vorgemischte Mahlgutansatz dispergiert, wobei auf die Ausbildung der vorher beschriebenen Trombe geachtet werden muss. Dabei sollte die Leistungsfähigkeit des DISPERMAT® ausgenutzt werden: Keine Angst vor hohen Drehzahlen! Denn bei Verwendung einer Dissolverscheibe von z. B. 25 mm Durchmesser muss der DISPERMAT® mit einer Drehzahl von 15000 min-1 arbeiten, damit die Dissolverscheibe eine Umfangsgeschwindigkeit von 20 m/s erreicht. Der Dispergierendzustand ist mit dem DISPERMAT® normalerweise bereits nach 10 – 15 Minuten Dispergierdauer erreicht. Ein weiterer Betrieb des Dissolvers trägt in der Regel nicht mehr zu einer besseren Zerteilung der Agglomerate bei. Probeanalysen zeigen, dass sich eine endgültige Teilchengröße einstellt.

Bei hohen Ansprüchen an die Teilchengröße oder schwer dispergierbaren Agglomeraten ist dann der Einsatz einer Rührwerkskugelmühle erforderlich.

↑ zurück zum Inhaltsverzeichnis

5. Die Übertragung von Laborversuchen auf Betriebsproduktion

Ein außerordentlich wichtiger Faktor ist die Tatsache, dass sich die mit dem DISPERMAT® erzielten Dispergierergebnisse auf Dissolver im Produktionsmaßstab übertragen lassen.

Die Übertragung von Laborversuchen auf Betriebsproduktion. Abbildung: Labordissolver DISPERMAT® CV3-PLUS und Dissolver DISPERMAT® SC für die Produktion.


Es wurde bereits erwähnt, dass der Dispergiererfolg zum einen vom Transport der Agglomerate in die Nähe der Zahnscheibe, zum anderen aber auch von dem mechanischen Rührleistungseintrag in das Dispergiergefäß abhängt. Der mechanische Leistungseintrag ist der Parameter, der den maximal erreichbaren Endzustand der Desagglomeration bestimmt, während der Transport der Agglomerate die Zeitdauer bestimmt, die erforderlich ist, um den endgültigen Dispergierzustand zu erreichen. Die Dispergierung der Agglomerate erfolgt hauptsächlich in dem Scherfeld, welches sich an den Stirnflächen der Zahnscheibe ausbildet. Das sich maximal einstellende Scherfeld (und damit der größtmögliche Dispergiererfolg) wird durch den äußersten Rand der Zahnscheibe bestimmt, da sich dieser Teil mit der höchsten Geschwindigkeit durch das Mahlgut bewegt.

Aus diesem Grund hat sich gezeigt, dass diese Geschwindigkeit (die Umfangsgeschwindigkeit der Dissolverscheibe) als Kriterium für die Übertragung von Laborergebnissen auf die betriebliche Praxis herangezogen werden kann. Diese Aussage betrifft den erzielbaren Endzustand, nicht jedoch den Zeitbedarf dafür.

Der DISPERMAT® wird den erzielbaren Endzustand gewöhnlich eher erreichen, weil hier der Weg der Agglomerate zur Zahnscheibe kürzer ist als beim Dissolver in der Produktion. Die exakte Übereinstimmung hinsichtlich des erzielbaren Endzustandes wird natürlich auch nur dann erreicht, wenn die Mahlguttemperatur bei der Labordispergierung vergleichbar mit der Mahlguttemperatur bei der Dispergierung im Produktonsmaßstab ist. Deshalb ist beim Dispergieren mit dem DISPERMAT® der Einsatz eines doppelwandigen temperierbaren Gefäßes unbedingt zu empfehlen. Damit die Umfangsgeschwindigkeiten, die im Produktionsmaßstab Anwendung finden, in einer Laborausführung erzielt werden können, muss der Labordissolver konstant und reproduzierbar auch hohe Drehzahlen fahren können. Bei der Benutzung unterschiedlicher Zahnscheiben lässt sich die Umfangsgeschwindigkeit nach der Formel leicht berechnen.

Die Übertragung von Laborversuchen auf Betriebsproduktion.

↑ zurück zum Inhaltsverzeichnis

6. Umfangsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Drehzahl und des Dissolverscheiben - Durchmessers

An drei praktischen Beispielen wird die Umfangsgeschwingigkeit der Dissolverscheibe in Abhängigkeit der Drehzahl und des Dissolverscheibendurchmessers aufgezeigt. Das farbige Feld in den Abbildungen zeigt den günstigen Bereich der Umfangsgeschwindigkeit zwischen 18 und 25 m/s.


DISPERMAT® Labordissolver mit einem Dispergieransatz von 100 ml

Dispergieren im Labor

DISPERMAT® Labor- und Technikumsdissolver mit einem Dispergieransatz von 2,5 Liter

Dispergieren im Labor und im Technikum

DISPERMAT® Technikums- und Produktionsdissolver mit einem Dispergieransatz von 30 Litern

Dispergieren in der Produktion

↑ zurück zum Inhaltsverzeichnis

7. Was ist zu tun, wenn das Dispergierergebnis nicht den gewünschten Erfolg zeigt ?

Falls das Dispergierergebnis nicht den gewünschten Erfolg zeigt, sollten die nachstehend aufgeführten Punkte überprüft werden:
  • Dispergierdauer

    Die Dispergierung mit dem Dissolver erreicht bei ausreichend hoher Drehzahl ihr Optimum schon nach kurzer Zeit (ca. 10 – 15 min). Eine Verlängerung der Dispergierzeit über 20 min Dauer bringt dann im allgemeinen keine Verbesserung des Dispergierergebnisses.

  • Doughnut-Effekt

    Während der gesamten Dispergierdauer muss das „Doughnut“-Fließbild eingehalten werden.

  • Drehzahl

    Höherer Energie-Eintrag durch Erhöhung der Drehzahl und damit der Umfangsgeschwindigkeit der Dissolverscheibe, ohne jedoch den Doughnut-Effekt zu zerstören.

  • Gefäßgeometrie

    Verändern des Abstandes Behälterboden - Dissolverscheibe.

  • Mahlgutmenge

    Das Füllvolumen verringern bzw. erhöhen.

  • Dissolverscheibe

    Verwendung einer kleineren oder größeren Dissolverscheibe.

  • Feststoffanteil

    Erhöhung der Viskosität, verbunden mit dilatantem Fließverhalten, durch Zugabe weiterer Feststoffanteile, ohne jedoch den Doughnut-Effekt zu zerstören.
 
  • Flockung

    Findet nach dem Dispergieren eine erneute Zusammenlagerung (Flockung) der Agglomerate statt? Abhilfe durch geeignete Dispergierhilfsmittel.

  • Temperatur

    Beim Dispergieren erfolgt ein erheblicher Energieeintrag in das Mahlgut, der zu einem Temperaturanstieg führt. Dadurch wird das Fließverhalten des Mahlgutansatzes oftmals ungünstig verändert. Zudem können temperaturempfindliche Rezepturbestandteile Schaden erleiden. Abhilfe durch Verwendung doppelwandiger Dispergiergefäße.

  • Rohstoffe

    Partielle Änderung der Rezeptur durch Verwendung geeigneterer anderer Rohstoffe. Allerdings sollte man nicht vergessen, dass der Dissolver ein Dispergiergerät und kein Mahlaggregat ist; er kann die Primärteilchen nicht zerkleinern.

  • Vakuum

    Bei einer Dispergierung unter Vakuum können hochviskose Produkte weitestgehend ohne Luftblaseneinschlüsse hergestellt werden.

  • Additive

    Durch Zusatz geeigneter Additive kann das Ergebnis des Dispergierprozesses noch nachhaltig verbessert werden.

↑ zurück zum Inhaltsverzeichnis

8. Die rheologischen Eigenschaften der Mahlgutpaste

Die rheologischen Eigenschaften der Mahlgutpasten Zur Erzielung optimaler Dispergierergebnisse muss das Mahlgut über bestimmte rheologische Eigenschaften verfügen. Leider lässt sich das Fließverhalten nicht durch eine einzige Kennzahl, etwa die der Viskosität, beschreiben. Die Viskosität ist die Eigenschaft eines Stoffes, unter Einwirkung einer Spannung zu fließen und irreversibel verformt zu werden. Der Viskositätskoeffizient, oft auch Viskosität genannt, ist eine stoffspezifische Konstante, die definiert wird als Quotient aus Schubspannung (τ) und Schergeschwindigkeit (D).

Nur bei newtonschen Flüssigkeiten ist die Viskosität eine Konstante; das bedeutet, dass die Fließkurve eine Gerade ist (Beispiel Wasser, Mineralöle usw.). Alle anderen Substanzen, die dieses Fließverhalten nicht aufweisen, werden nichtnewtonsch genannt. Sie sind weitaus häufiger anzutreffen als newtonsche Flüssigkeiten. Mahlgutformulierungen sind komplexe rheologische Substanzen, zu deren Beschreibung Begriffe wie: scheinbare Viskosität, Plastisches Verhalten, Fließgrenze, Thixotropie, Rheopexie und Dilatanz, verwendet werden.

Allgemeine Viskositätsbereiche:
niedrigviskos µ < 500 mPs
mittelviskos µ 500-5000 mPs
hochviskos µ > 5000 mPs

↑ zurück zum Inhaltsverzeichnis

9. Dispergieren unter Vakuum

Beim Dispergieren mit einem Dissolver wird verfahrensbedingt häufig Luft in das zu dispergierende Gut eingebracht. Bei niedrig- und mittelviskosen Substanzen entweicht die Luft oft jedoch schon während oder nach dem Dispergierprozess von selbst; oft unterstützt durch entsprechend eingebrachte Additive. Handelt es sich jedoch um Produkte mit höherer oder hoher Viskosität und einer Fließgrenze (siehe auch: Die Rheologischen Eigenschaften der Mahlgutpaste), kann die eingebrachte Luft nicht mehr entweichen.

Hier muss der Dispergierprozess unbedingt unter Vakuum durchgeführt werden, um Lufteinschlüsse und Microblasen zu vermeiden, die nach der Applikation des Produktes zu einer Oberfläche mit Poren und Nadelstichen führen würden. Außerdem ist dann häufig auch der Einsatz eines Abstreifsystems erforderlich, um das Dispergiergut, dass sich an der Innenwand des Behälters befindet, abzustreifen und es der Behältermitte zuzuführen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass das gesamte Material am Dispergierprozess teilnimmt.

Dissolver DISPERMAT® CA mit dem Vakuum-Dispergiersystem CDS Abbildung: Dissolver DISPERMAT® CA mit dem adaptierbaren Vakuum-Dispergiersystem CDS



Die wesentlichen Vorteile einer Vakuumdispergierung:

  • hochviskose Systeme können weitestgehend ohne Luftblasen hergestellt werden
  • eine Schaumbildung, besonders bei wässrigen Systemen, wird sehr stark minimiert
  • Produkte, die mit Sauerstoff oder Luftfeuchtigkeit reagieren, können unter Vakuum problemlos hergestellt werden
  • die Produktqualität (Feinheit) kann durch die Vakuumdispergierung oft deutlich verbessert werden


Sie möchten mehr erfahren über die Vorteile von Dispergierungen unter Vakuum? Wir beraten Sie gerne. Besuchen Sie uns in unserem hervorragend ausgestatteten Labor und Technikum für eine unverbindliche Probedispergierung mit Ihren eigenen Produkten.

Unsere erfahrenen Ingenieure freuen sich auf Ihren Besuch: +49 2296 – 8030



↑ zurück zum Inhaltsverzeichnis



KHIMIA 2017
KHIMIA 2017

RUSSIA
23. - 26.10.2017
KHIMIA, Moscow


Hall: Pavillion 2,
Booth: 22C38

Ihr Ansprechpartner
Ihr persönlicher Ansprechpartner Dipl.-Ing. Martin Keller
Gerne zeigen wir Ihnen die beeindruckende Leistungsspanne unserer Rühr- Dispergier- und Feinmahlsysteme DISPERMAT® und TORUSMILL® zum Rühren, Homogenisieren, Dispergieren und Feinstmahlen bis in den Nanobereich. Besuchen Sie uns in unserem umfangreich ausgestatteten Labor und Technikum für eine unverbindliche Probedispergierung mit Ihren eigenen Produkten.

Unsere erfahrenen Ingenieure stehen Ihnen jederzeit für eine persönliche Beratung zur Seite.

Durchwahl   +49 2296 80324
Email   Dipl.-Ing. Martin Keller
Die nächsten Messetermine
SPAIN
02. - 06.10.2017
EXPOQUIMIA, Barcelona
BRAZIL
03. - 05.10.2017
ABRAFATI, Sao Paulo
RUSSIA
23. - 26.10.2017
KHIMIA, Moscow
CHINA
15. - 17.11.2017
CHINACOAT, Shanghai
Innovation made in Germany
Flexibel. Leistungsstark. Innovativ.

Mit den adaptierbaren Dispergier- und Feinmahlsystemen kann der DISPERMAT® Dissolver zusätzlich als Vakuumdissolver, Perlmühle, Korbmühle, Homogenisator und Dissolver für hochviskose Produkte eingesetzt werden.

Entdecken Sie die modulare Vielfalt!
Kontaktinformationen
VMA-GETZMANN GMBH
Verfahrenstechnik
Euelerhammerstraße 13
D-51580 Reichshof
Telefon: +49 2296 8030
Fax: +49 2296 80333
Email: info@vma-getzmann.de

Produktübersicht

Kontakt

für Labor und Technikum

für die Produktion

Sie haben Fragen? Wir freuen uns über Ihren Anruf

Dissolver

Explosionsgeschützte Dissolver

Vakuumdissolver

Dissolver für hochviskose Produkte

Perlmühlen

Korbmühlen

Rührer und Mischer

Homogenisatoren

Coil-Coatings

Dissolver

Perlmühlen

Korbmühlen

+49 2296 - 8030

... oder senden Sie uns einfach Ihre Nachricht. Unsere erfahrenen Ingenieure melden sich umgehend bei Ihnen.