Bis in den Nanobereich

Das Herzstück der von WAB entwickelten Rührwerkskugelmühle NPM, ist der patentierte Dyno-Accelerator, bekannt von der Dyno-Mill ECM, und ein spezielles Mahlkörperabtrennsystem. Sie stellen die wichtigsten Komponenten für die effiziente Energieeinbringung für das Dispergieren und Nassmahlen dar. Die Mahlkörper werden mit den Dyno-Acceleratoren beschleunigt. Dieses Prinzip erlaubt einen gleichmäßig hohen Energieeintrag mit optimaler Verteilung im ganzen Mahlbehälter. Die Kraft der Mahlkörperbewegung ist so hoch, dass ein weiter Bereich von Produktviskositäten bei hohen Durchsätzen im Passagen- oder Zirkulationsbetrieb gefahren werden können, ohne dass die Mahlkörperstabilität in axialer Richtung des Mahlbehälters beeinträchtigt wird.

Mit der Dyno-Mill ECM können die Partikelgrößen unter den gesetzten Standards bei hohen Produktionsleistungen zerkleinert werden, mit dem positiven Effekt der Qualitätsverbesserung. Der spezifische Energieverbrauch (kW/kg Produkt) von herkömmlichen Mahlsystemen liegt zwischen 30 bis 60 %, abhängig vom zu verarbeitenden Produkt. Ein effizienter Mahlprozess ist dann gegeben, wenn ein hoher Prozentteil der verbrauchten Energie auch für das Mahlen verwendet wird, wie es bei der Dyno-Mill ECM der Fall ist. Der daraus resultierende insgesamt niedrigere Energieverbrauch hat auch auf die Produktionskosten einen positiven Einfluss.

Heutzutage ist es technisch möglich, Mahlkörper größer 0,2 mm in den Produktionsmühlen einzusetzen. Zur Abtrennung der Mahlkörper werden Siebe oder Reibspaltsysteme (Rotor/Stator) am Mühlenausgang eingesetzt. Beim Einsatz von Kleinstmahlkörpern kleiner 0,2 mm können die vorhergenannten Mahlkörpertrennsysteme leicht verstopfen und ein kontinuierlicher Prozess ist somit nicht gewähreleistet. Für die Dyno-Mill NPM wurde daher ein spezielles Mahlkörperabtrennsystem entwickelt. Es erlaubt die Verwendung von Mahlkörpern kleiner 0,1 mm.

Die Nanotechnologie umfasst zwei wesentliche Bereiche. Einer davon ist die Nutzung der Technologie für die Entwicklung neuer Materialien mit speziellen Eigenschaften. Der andere ist die Prozesstechnologie der Nassmahl- und Dispergiertechnik im Bereich ultrafeiner Partikel (ca. 10 bis 50 nm). Das Ziel von WAB ist, durch die Verwendung von Kleinstmahlkörpern kleiner 0,1 mm eine Optimierung der Partikelzerkleinerung im ultrafeinen Bereich und gleichzeitig eine Qualitätsverbesserung der Produkte zu erreichen.

Das Mahlen von Partikeln ist durch die zwei wichtigen Parameter kinetische Energie der Mahlkörper (Beanspruchungsintensität) und Anzahl der Mahlkörperkontakte oder Kontaktpunkte (Häufigkeit) definiert. Für die Aufmahlung und Dispergierung von Nanopartikeln ergeben sich zwei Verarbeitungsmethoden. Das ist zum einen die Echtzerkleinerung (Top-down, D50 < 0,1 µm), die prinzipiell mit dem Einsatz von Mahlkörpern $0,3 mm möglich ist. Mit kleineren Mahlkörpern können die Partikel, aufgrund der zu geringen Beanspruchungsintensität, nicht mehr gemahlen werden. Hier ist auch eine grundsätzliche Grenze erreicht um eine Mahlung kleiner 100 nm zu gewährleisten. Zum anderen werden Nanopartikel (D50 = 40 nm) sehr oft im chemischen Verfahren, auch Bottom-up genannt, hergestellt. Danach werden sie in einer Flüssigkeit dispergiert. Die kleinen Partikel haben eine hohe Anziehungskraft, so dass sich leicht Agglomerate bilden, die wiederum nur durch Kleinstmahlkörper kleiner 0,2 mm dispergiert werden können. Die Anzahl der Mahlkörperkollision im Mahlbehälter ist sehr wichtig und die wesentliche Aufgabe ist es die Agglomerate zu brechen.

Die Beanspruchungsintensität und die Kontakthäufigkeit sind im Dispergierprozess sehr kritisch. Ein zu hohe Beanspruchung während der Dispergierung kann auch zu einer Reagglomeration führen. Die Beanspruchungsrate und die Kontaktdauer sind zusätzliche Parameter die zu beachten sind. Je kleiner die Partikel sind, desto größer sind die Anziehungskräfte zwischen den Partikeln, die zu einer Agglomeration führen können. Deshalb ist das richtige Zusammenspiel der Parameter für die Mühle und die Produktrezeptur der Schlüssel zum Erfolg. Wichtige Parameter für die Mühle sind dabei Drehzahl, Füllgrad sowie Mahlkörpergröße und -dichte, wichtige Produktparameter sind Additive, Feststoffgehalt und pH-Wert, etc. Zur Herstellung von Nanomaterialien ist es also nicht unbedingt erforderlich mit hohen Energieeinträgen zu arbeiten. Der aufzubringende Energieeintrag ist stark vom zu verarbeitenden Produkt abhängig und muss empirisch ermittelt werden. Gezielter Energieeintrag und viele Kontakthäufigkeiten der Kleinstmahlkörper kleiner 0,2 mm erbringen die nötige Effizienz für eine optimale Dispergierung.

Für einen Mahl- und Dispergierversuch an Pigmenten für Automobillacke hat WAB eine fertige Pigmentpaste verwendet, die mit Mahlkörpern von 0,5 mm in einer Standardproduktionsmühle hergestellt wurde. Der Z-Durchschnitt vom Produkt lag bei ca. 220 nm und die Transparenz bei ca. 5 %. Während der Mahlung mit der Dyno-Mill NPM mit 0,1 mm kleinen Mahlkörpern veränderte sich die Produktfarbe von hell zu einer dunklen Farbe. Sowohl die Transparenz als auch die Partikelgröße des Produktes wurde jeweils nach der Mühle gemessen. Nach 90 Mahlminuten stieg die Transparenz auf 75 % und das Produkt war stabil, auch nach weiteren Mahlpassagen. Im ähnlichen Verhältnis reduzierte sich die Partikelgröße von ca. 220 auf 115 nm. Es stellte sich ebenfalls heraus, dass eine lineare Korrelation zwischen Transparenz und Partikelgröße vorhanden ist.

Dyno-Mill NPM kommt darüber hinaus in vielfältigen weiteren Applikationen zur Anwendung, u. a.:

Die Dyno-Mill NPM mit dem Mahlkonzept der Dyno-Acceleratoren ist die ideale Mühle für die Softmahlung, aber auch für eine effiziente Mahlung mit gezieltem Energieeintrag für die Anwendungen in der Nanotechnologie.

cav 433

Mahltechnik auf einen Blick

European Nanobusiness Association

Fachmesse NanoEurope 2006