Mischstrategien für High

Aug 30, 2023

24. Januar 2019

Wenn Feststoffe in einer Flüssigkeit dispergiert oder gelöst werden, sind die relativen Mengen jeder Phase notwendigerweise Schlüsselfaktoren bei der Mischerauswahl. Tatsächlich ist die Viskosität ein noch wichtigerer Parameter. Für den Zweck unserer Diskussion in diesem Artikel definieren wir den Prozentsatz an Feststoffen als das Verhältnis der in einer Formulierung vorhandenen Feststoffmasse, wobei sich „Feststoffe“ auf die nichtflüchtigen Materialien oder die anorganischen Komponenten der Mischung beziehen.

Während der Begriff „High Solids“ in verschiedenen Märkten, einschließlich Klebstoffen, Dichtstoffen, Farben und Beschichtungen, häufig verwendet wird, gibt es keine Standards, die den minimalen oder durchschnittlichen Feststoffgehalt von Formulierungen mit hohem Feststoffgehalt im Allgemeinen definieren.

Prozent Feststoffe vs. Viskosität Abhängig von der Chemie der Rohstoffe nehmen Zusammensetzungen mit hohem Feststoffgehalt ein breites Spektrum an Viskositäten an. Beispielsweise werden Lösungsmittel mit gutem Lösungsvermögen und Polymere mit niedrigem Molekulargewicht verwendet, um in sprühbaren Beschichtungen mit hohem Feststoffgehalt eine niedrige Viskosität und einen akzeptablen Verlauf zu erzielen. Sogar einige Schmelzklebstoffe mit 100 % Feststoffgehalt weisen bei der Verarbeitung bei den entsprechenden Temperaturen eine nahezu wasserähnliche Viskosität auf. Umgekehrt kann eine Gelformulierung, die nur 5 % Feststoffe enthält, nicht gießbar sein und sich wie ein Halbfeststoff verhalten.

Daher wird die Auswahl des Mischers im Allgemeinen eher von der Viskosität als vom Feststoffanteil bestimmt. Die Anfangsviskosität des Lösungsmittels oder der flüssigen Basis, die maximale Viskosität, die die Mischung während der Verarbeitung erreicht, und die Endviskosität des Endprodukts (sofern sie von der maximalen Viskosität abweicht) sind wichtige Überlegungen, die Sie Ihrem Mischerhersteller mitteilen müssen.

Einwellenmischer Herkömmliche Einwellenmischer wie Propeller und Turbinen können in der Lage sein, Formulierungen mit hohem Feststoffgehalt im niedrigen Viskositätsbereich herzustellen. Hierbei handelt es sich um wirtschaftliche Maschinen, die für Feststoffe geeignet sind, die sich bei nur sanftem Rühren oder Rühren leicht in Flüssigkeiten integrieren lassen. Bei Feststoffen, die sich nicht ausnässen lassen, beispielsweise hydrophoben Pulvern, die dem Wasser zugesetzt werden, erweisen sich Rührwerke mit niedriger Drehzahl jedoch als sehr ineffizient. Um die Dispergierung oder Auflösung solcher Feststoffe zu beschleunigen, ermöglichen Geräte mit höherer Energie wie Sägezahndispergierer und Rotor/Stator-Mischer kürzere Vorlaufzeiten.

Ein ordnungsgemäß konstruierter Dispergierer im Sägezahnscheiben-Stil läuft mit Spitzengeschwindigkeiten von etwa 5000 Fuß/Minute und sorgt für eine kräftige Strömung im Mischgefäß. Es erzeugt einen Wirbel, in den Feststoffe zur schnellen Einarbeitung in die Charge gegeben werden können. Dispergiergeräte werden typischerweise in Anwendungen mit einer Viskosität von bis zu etwa 50.000 cP eingesetzt.

Im Vergleich dazu verfügt ein Rotor/Stator-Mischer typischerweise über einen Vierblattrotor, der mit Spitzengeschwindigkeiten im Bereich von 3000–4000 Fuß/Minute innerhalb eines festen Stators mit enger Toleranz läuft. Diese Art von Vorrichtung erzeugt mechanische und hydraulische Scherung, indem sie das Produkt kontinuierlich in den Rotor saugt und es radial durch die Öffnungen im Stator ausstößt. Aufgrund der durch den Stator bereitgestellten Einschränkung bietet dieser Mischer eine höhere Scherung, aber eine geringere Pumpleistung als ein Dispergierblatt mit offener Sägezahnscheibe. Aus dem gleichen Grund liegt die Viskositätsgrenze niedriger – etwa 10.000 bis 20.000 cP. Der Rotor/Stator-Mischer ist sowohl in Batch- als auch in Inline-Ausführung erhältlich.PulverinduktionssystemeWenn große Pulvermengen in großen Mengen zugegeben werden müssen oder wenn schwer zu dispergierende Feststoffe selbst mit einem Hochgeschwindigkeitsmesser zu lange brauchen, um vollständig zu benetzen, ist ein Mischer mit integrierter Pulvereinspritzfunktion eine Überlegung wert.

Bei früheren Pulverinjektionssystemen trieb eine Pumpe den Flüssigkeitsstrom in einen Ejektor und erzeugte so ein Vakuum. Pulver, die durch ein Überkopfrohr zugeführt werden, werden durch dieses Vakuum in den Eduktor gesaugt, wo sie sich mit dem Flüssigkeitsstrom verbinden. Die resultierende „Vormischung“ wurde zu einem Rotor/Stator-Mischer weitergeleitet, der dann Scher- und Mischwirkung ausübte, Agglomerate auflöste und die Mischung stromabwärts transportierte. Dieses System bot seinerzeit ein nützliches Werkzeug zur Pulverinduktion. Das Inline-System beseitigte das Problem schwimmender Feststoffe bei Batch-Systemen und bot eine präzisere Kontrolle über den Mischprozess. Dieser Aufbau brachte jedoch auch einige gravierende Einschränkungen mit sich. Da drei separate Geräte in Reihe geschaltet waren, war die Wartung – in Bezug auf Arbeitsaufwand, erforderliches Fachwissen und Ersatzteile – intensiv. Das Ausbalancieren der Leistung von Pumpe, Educator und Mischer war oft schwierig und bei vielen Anwendungen kam es zu recht hohen Ausfallzeiten.

Heutige Inline-Rotor/Stator-Mischer mit integrierter Pulvereinspritzfunktion sind bedienerfreundlicher und wartungsarmer im Design. Diese Hochschermischer der neuen Generation erfordern nicht mehr den Einsatz von Kreiselpumpen oder Eduktoren, um den Sog für die Pulverinjektion zu erzeugen. Die Scherwerte sind mit denen eines Standardrotors/-stators vergleichbar, aber die Fähigkeit des Mischers, Feststoffe und Flüssigkeiten genau dort zu kombinieren, wo intensives Mischen stattfindet, hat einen erheblichen Einfluss auf die Dispersionsqualität. Darüber hinaus entfällt die Notwendigkeit, Pulver direkt in den Tank zu füllen, was ein Staub- und Sicherheitsproblem darstellen könnte. Die Materialhandhabung wird vereinfacht, da der Inline-Mischer auf Bodenhöhe installiert ist und Pulver in einer praktischeren Höhe direkt über dem Mischer hinzugefügt werden. Bediener müssen nicht mehr mit schweren Pulversäcken auf Zwischengeschosse klettern. Zu den Beispielanwendungen gehören Magnesiumhydroxid-Aufschlämmungen mit bis zu 65 % Beladung und Titandioxid-Pigmentdispersionen mit 70 % Feststoffgehalt.

Siehe Abbildung 1. Funktionsweise eines Pulver-Induktionsmischers: Der Flüssigkeitsstrom (blau) tritt in den Mischer ein und trifft sofort auf die Pulverzugabe. Durch ein starkes Vakuum werden frei fließende Pulver (gelb) in die Flüssigkeit eingespritzt und unter hoher Scherung sofort vermischt. Die resultierende Dispersion (grün) wird mit hoher Geschwindigkeit zentrifugal durch die Statoröffnungen ausgestoßen.

Mehrwellenmischer Produkte, deren Viskositätsänderungen einen Spitzenwert von weit über 50.000 cP erreichen, werden typischerweise in Mehrwellenmischern dosiert. Zu den gebräuchlichsten Konfigurationen gehören Dispergierer und Rotor/Statoren, die in Kombination mit einem Ankerrührwerk mit niedriger Drehzahl verwendet werden. Der Ankerrührer hilft dabei, Materialien aus verschiedenen Teilen des Behälters auszutauschen, indem er die Hochgeschwindigkeitsgeräte im Wesentlichen mit Produkten „füttert“, die sonst nicht dorthin fließen würden. Die Flügel des Ankerrührwerks umfassen normalerweise auch verstellbare Schaber zum Abwischen des Behälterbodens und der Seitenwände. Dies gewährleistet eine strengere Temperaturkontrolle und einen verbesserten Produktumsatz.

Neben der erweiterten Leistungsfähigkeit von Mehrwellenmischern im Hinblick auf die Viskosität besteht ein weiterer Konstruktionsvorteil darin, dass es sich um geschlossene Systeme handelt, die den Vorteil des Vakuummischens bieten. Bei der Verarbeitung unter Vakuum entwickeln bestimmte Formulierungen aufgrund der verbesserten Scherung und des Kontakts der verschiedenen Komponenten bessere Eigenschaften.

Mit seinen unabhängig angetriebenen Rührwerken ist ein Mehrwellenmischer äußerst vielseitig für die Verarbeitung hochgefüllter Pasten und Suspensionen mit einem breiten Viskositätsprofil vom Beginn bis zum Ende des Dosierzyklus. Beispielanwendungen umfassen: Sonnenschutzlotionen; Schmelzklebstoffe; VOC-arme Beschichtungen; Holzfüllstoffe, Fugenmörtel und Dichtungsmassen mit hohem Feststoffgehalt.

Siehe Abbildung 2. Dreiwellenmischerkonfiguration, bestehend aus einem dreiflügeligen Anker, einer Hochgeschwindigkeitswelle mit zwei Dispergierblättern und einem Vierblattrotor in einem geschlitzten Statorkopf.

Planetenmischer Wenn die Viskosität immer höher steigt und sich etwa 500.000 cP nähert, je nachdem, wie rutschig oder klebrig sich das Produkt verhält, beginnt der Umsatz innerhalb eines Mehrwellenmischers irgendwann zu leiden und die Mischeffizienz zu beeinträchtigen. Wenn die Motoren nicht überlastet werden, kann es zu örtlicher Überhitzung im Bereich des Hochgeschwindigkeits-Dispergierflügels kommen oder der Ankerrührer beginnt, sich einen Weg durch die viskose Charge zu bahnen. Die logische Lösung besteht darin, eine Reihe von Rührwerken zu verwenden, die sich unabhängig vom Produktfluss durch die Charge bewegen. Das ist die Stärke von Planetenrührwerken. In einem Planetenmischer drehen sich zwei oder mehr Flügel um ihre eigene Achse, während sie um eine gemeinsame Achse kreisen. Moderne Doppelplanetenmischer mit Spiralflügeln können heute Viskositäten von bis zu 6 Millionen cP oder mehr verarbeiten. Es gibt auch hybride Planetenmischer, die aus einem Planetenrührer und einem Hochgeschwindigkeits-Dispergierflügel bestehen, die sich um ihre eigene Achse drehen und dabei den Behälter umkreisen. Da beide Rührwerke kontinuierlich in die Charge und das frische Produkt vordringen, wird die entstehende Wärme gleichmäßig verteilt. Feststoffe werden schnell in eine viskose Flüssigkeitsbasis eingearbeitet und hartnäckige Agglomerate werden dispergiert, selbst wenn die Charge kaum noch „fließfähig“ ist. Scherniveaus und Strömungsmuster lassen sich leicht feinabstimmen, da die Rührwerke einzeln gesteuert werden. Zu den Beispielanwendungen gehören Dentalkomposite, Dickfilmtinten, Pigmentdispersionen in Wachs, hochgefüllte Silikondichtstoffe und Polymerlösungen.

Siehe Abbildung 3. Ein Hybrid-Planetenmischer, ausgestattet mit einem Hochgeschwindigkeitsdispergierer und einem spiralförmigen Planetenrührer. Nach dem Mischen wird der Behälter zur Entladestation gerollt. Eine Platte wird hydraulisch in den Behälter abgesenkt und drückt das Produkt heraus und in Eimer, die unter der erhöhten Plattform positioniert sind.

Sigma-Klingenmischer Extrem viskose Materialien werden in Knetern, auch Doppelarm-Sigma-Blade-Mischer genannt, verarbeitet. Hierbei handelt es sich um Horizontalmischer, die aus zwei z-förmigen Flügeln bestehen, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zueinander drehen. Die Klingen passieren die Trogwände und einander in geringem Abstand und sorgen so für eine Scher- und Reißwirkung auf das Produkt. Anschließend wird der Trog des Mischers gekippt, um das fertige Produkt auszutragen. Kneter-Extruder kombinieren die Effizienz eines herkömmlichen Doppelarm-Sigma-Blade-Mischers mit dem Komfort einer Extrusionsschnecke zum Austragen schwerer und viskoser Materialien. Die Austragsschnecke befindet sich in einem separaten Hohlraum direkt unter den Z-Klingen und hilft bei der Zuführung des Chargenmaterials in die Mischflügel. Wenn der Misch-/Knetzyklus abgeschlossen ist, wird die Schneckendrehung umgekehrt, um das Produkt durch eine Auslassöffnung oder Düse zu extrudieren. Zu den Beispielanwendungen gehören Hochtemperatur-Dichtungsmaterialien, Mörtelmischungen, Mastix-Dichtstoffe, Gummimischungen und Masterbatches.

Christine Banaszek ist Vertriebsleiterin bei Charles Ross & Son Co. (Hauppauge, NY), Hersteller von Spezialmisch- und Mischgeräten. Weitere Informationen finden Sie unter www.mixers.com.

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