DE10053243A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verfeinerung eines Pulvers - Google Patents

Abstract

Zur Verfeinerung von Pulvern unter Einsatz von Ultraschall werden Einzelschallimpulse mit Amplituden von wenigstens einigen MPa eingesetzt und mit den Einzelschallimpulsen Agglomerationen in den Pulvern auch bei großen Bindungskräften aufgebrochen. Bei der zugehörigen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist eine nach dem thermohydraulischen Prinzip arbeitende Stoßwellenquelle (1), die fokussierte Stoßwellen (20) über ein meist flüssiges Koppelmedium in das Pulver einkoppelt, vorhanden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verfeine­ rung eines Pulvers unter Einsatz von Ultraschall und auf ei­ ne zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In zahlreichen Anwendungen, z. B. in der elektrotechnischen Industrie, in der Pharmazie und in der Farbindustrie, werden pulverförmige Werkstoffe eingesetzt, deren Korngrössen im Bereich unter 1 Mikrometer bis zu einigen 100 Mikrometern betragen. In den meisten Fällen der Verarbeitung, z. B. beim Auftragen feiner Pulverschichten oder beim Mischen von Pul­ vern, ist es notwendig, die Ausgangskorngrößenverteilung der verwendeten Pulver in engen Grenzen einzuhalten.

Es kommt jedoch häufig vor, dass die Pulver dazu neigen, Ag­ glomerate mit erheblich größeren Durchmessern zu bilden, so dass Mischprozesse äußerst ungleichmäßig und schlecht repro­ duzierbar verlaufen (Pharmazie, Farbindustrie, Keramikindu­ strie) oder dass die Feinheit aufgetragener Pulverschichten, z. B. bei der Herstellung von Leuchtstoffschirmen in der elektrotechnischen Industrie, stark schwankt.

Nach dem Stand der Technik werden leichte Agglomerationen, d. h. solche die sich unmittelbar in den Pulvern selbst bil­ den, mit Hilfe intensiver cw-Ultraschallfelder aufgelöst. Insbesondere aus der WO 99/66096 A1 ist ein derartiges Ver­ fahren bekannt, bei dem Pulver speziell zur Verdampfung mit­ tels induktiver Plasmen verfeinert werden und dazu das Pul­ ver mit einem Trägergas in einen Behälter Pulver mit einem Trägergas in einen Behälter zwischengespeichert wird, der mit Ultraschall beaufschlagbar ist. Damit soll auch eine Be­ seitigung von Agglomerierungen im Pulver erreicht werden.

Bei ausreichend hohen Bindungskräften zwischen den Partikeln lösen sich jedoch die Agglomerationen mit den nach dem Stand der Technik verfügbaren Ultraschallamplituden von typisch < 0,1 MPa (Mega-Pascal) nicht vollständig auf. Insbesondere können mit dieser Methode aber Agglomerationen, die z. B. beim Tempern von Pulvern erzeugt wurden, nicht zerstört wer­ den. In diesen Fällen ist eine erneute Mahlung der Pulver notwendig, beispielsweise nass in Kugelmühlen oder Attrito­ ren, oder aber eine Trockenmahlung. In beiden Fällen kann es zu einer Verunreinigung des Pulvers durch Mahlkörperabrieb kommen, wodurch eine aufwendige Nachreinigung notwendig wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren anzugeben und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit denen bereits existierende Agglomerate in den pulverförmigen Ausgangswerkstoffen wieder aufgelöst werden und die ur­ sprüngliche Korngrößenverteilung wieder herzustellen, ohne durch mechanische Mahlprozesse die Pulver mit Mahlkörperab­ rieb zu verunreinigen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Pa­ tentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist Ge­ genstand des Patentanspruches 10. Weiterbildungen des Ver­ fahrens bzw. der zugehörigen Vorrichtung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung werden, im Gegensatz zu den herkömmlichen cw-Ultraschallfeldern mit Amplituden im 0,1 MPa-Bereich und darunter bei Schwingungsdauern von vielen Perioden, intensi­ ve Einzelschallimpulse mit Amplituden von einigen MPa bis zu mehreren 10 MPa eingesetzt, um Agglomerationen in Pulvern auch bei großen Bindungskräften sicher in die kleinsten Par­ tikel aufzubrechen. Die Leistungsschallimpulse bestehen im wesentlichen nur aus einer einzigen Druckwelle, gefolgt von einer einzigen, deutlich schwächeren Zugwelle. Dadurch wer­ den Ergebnisse erzielt, wie sie sonst nur unter Einsatz von Mahlverfahren erzielt werden können, d. h. es sind mit dieser Methode auch harte, durch Tempern verfestigte Agglomeratio­ nen aufbrechbar.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Mahlverfahren erfolgt bei dem neuen Verfahren jedoch eine berührungslose und damit verun­ reinigungsfreie Bearbeitung des Pulvers, so dass eine Nach­ behandlung - ausgenommen eine ev. notwendige Trocknung - nicht notwendig ist.

Bei der Erfindung wird das zu de-agglomerierende Pulver in Form einzelner Chargen oder im Durchflussbetrieb einer ent­ sprechenden Anzahl von Schallimpulsen ausreichender Intensi­ tät ausgesetzt. Das Pulver kann dabei sowohl in einem flüs­ sigen Schallübertragungsmedium, z. B. in Wasser, Alkoholen oder Ölen, suspendiert sein, es kann aber auch in trockener Form in kompakter Schicht dem Schallfeld ausgesetzt werden. In beiden Fällen muss der Leistungsschallimpuls bis zur Oberfläche des Pulverbehälters, beispielsweise Schlauch, Kü­ vette, Rohr, Chargenbehälter, bzw. pulvertragenden Bandes über ein schallübertragendes Medium, insbesondere eine ge­ eignete Flüssigkeit, übertragen werden.

Sowohl die Schallintensität als auch die Zahl der Schallim­ pulse pro Mengeneinheit des Pulvers hängen von der Art des Pulvers und seiner Verarbeitung ab. Typische Schallintensi­ täten liegen bei einigen MPa, z. B. 5 MPa, bei getemperten Pulvern jedoch bei einigen 10 MPa bis 100 MPa. Entsprechende Schallimpulszahlen liegen bei einigen 10 Impulsen/Gramm für Leichte Agglomerationen bis zu einigen 1000 Impulsen/Gramm bei harten Agglomerationen.

Die für das vorgeschlagene neue Verfahren erforderlichen Leistungsschallimpulse können zwar prinzipiell mit Stosswel­ lenquellen erzeugt werden, wie sie beispielsweise von Nie­ rensteinzertrümmerern in der Medizintechnik bekannt sind. Entsprechende Methoden sind vor allem die elektrohydrauli­ sche Methode, d. h. eine Funkenentladung in einer Flüssigkeit, die z. B. aus G. Linke, "Entwicklungsstand der elektro­ hydraulischen Zerkleinerung", Chemie-Ing.-Technik 40, 1968, no. 3, pp. 117-120), bekannt ist, piezoelektrische Wandler, sowie elektrodynamische Wandler. Alle bekannten Methoden ha­ ben aber den Nachteil, dass die Lebensdauer der Stosswellen­ quellen deutlich kleiner ist als für die Anwendung für das hier beschriebene Verfahren im industriellen Maßstab notwen­ dig. So muss z. B. bei der elektrohydraulischen Methode be­ reits nach wenigen 1000 bis zehntausend Impulsen der Elekt­ rodenabstand zumindest nachgeregelt sowie häufig die Funken­ elektroden ausgetauscht werden. Bei direkten Verfahren wie z. B. bei G. Linke beschrieben tritt zudem eine Verunreini­ gung des Mahlgutes durch Zersetzungsprodukte der dielektri­ schen Flüssigkeit, meist Wasser, bzw. chemischen Prozessen mit diesen Flüssigkeiten auf. Piezoelektrische und elektro­ dynamische Wandler erreichen nach dem Stand der Technik ma­ ximal einige Millionen Impulse bei Amplituden von mehreren 10 MPa, während für das hier vorgeschlagene Verfahren aus Gründen der Wirtschaftlichkeit Lebensdauern von mehreren hundert Millionen Impulsen notwendig sind.

Das neue Verfahren verwendet eine aus der WO 98/33171 A1 be­ kannte thermohydraulische Stosswellenquelle als Leistungs­ schallquelle, wobei die Form der Schallquelle gemäss der WO 98/33171 A1 dergestalt optimiert ist, dass ein räumlich möglichst großer Bereich erzeugt wird, in dem eine weitest­ gehend homogene Schalldruckverteilung mit für den gewünsch­ ten Prozess ausreichender Amplitude erreicht wird.

Das zu de-agglomerierende Pulver wird, entsprechend den un­ terschiedlichen Ausführungsformen, entweder im Durchfluss­ verfahren durch eine Küvette o. ä. in diesen Bereich inten­ siver Schallwellen eingebracht, wobei die Strömungsgeschwin­ digkeit so eingestellt wird, dass bei der im Leistungs­ schallfeld erreichten Aufenthaltsdauer bei bekannter Impuls­ wiederholrate gerade die notwendige Impulszahl zur vollstän­ digen De-Agglomeration erreicht wird. In einer abgewandelten Form des Verfahrens wird das Pulver in Form einer Schüttung oder Suspension auf einem Transportband durch diese Zone ge­ fahren.

Eine andere Form des Verfahrens arbeitet mit einzelnen Pul­ verchargen in diskontinuierlicher Vorgehensweise, bei dem eine bekannte Pulvermenge in einem geeigneten Chargenbehäl­ ter in die Zone ausreichender Schallintensität eingebracht wird und dort mit einer vorbestimmten Anzahl an Leistungs­ schallimpulsen beaufschlagt wird.

In beiden Fällen wird der Leistungsschallimpuls über ein ge­ eignetes Schallübertragungsmedium wie beispielsweise Wasser, Kohlenwasserstoffe, z. B. Alkohole oder Öle, speziell Sili­ konöle, in Sonderfällen jedoch auch über Festkörper wie Stahl, Keramik o. ä., zum Ort der Pulverbeschallung transpor­ tiert.

Das zu beschallende Pulver kann entweder als Suspension vor­ liegen, mit geeigneten, den Schall übertragenden Flüssigkei­ ten wie beispielsweise Wasser, Kohlenwasserstoffe, z. B. Al­ kohole oder Öle, speziell Silikonöle, oder aber in Form ei­ ner trockenen Schüttung.

Besonders vorteilhaft ist beim erfindungsgemäßen Verfahren die kurze Verfahrensdauer. Beim Verfahren nach dem Stand der Technik benötigt man im allgemeinen mehrere Stunden zur Be­ arbeitung einer Charge, und zwar bei Kugelmühlen typischer­ weise 10 h, und bei Attritoren typischerweise 1 bis 2 h. Beim erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Dauer je nach Auslegung der Anlage, d. h. Chargengröße, Pulvereigen­ schaften, Impulswiederholrate, Impulsenergie, auf deutlich unter eine Stunde senken, was zu einer erheblichen Erhöhung des Durchsatzes und damit der Wirtschaftlichkeit des Verfah­ rens führt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Figurenbeschreibung von Ausführungsbei­ spielen der Erfindung anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen

Fig. 1 eine Anordnung zum Mahlen von Pulvern unter Einsatz von Ultraschall,

Fig. 2 anhand einer ersten grafischen Darstellung die De- Agglomeration von keramischen Pulvern und

Fig. 3 anhand einer zweiten grafischen Darstellung die Ge­ nerierung eines zusätzlichen Mahleffektes.

In Fig. 1 ist ein Beispiel für eine Anordnung dargestellt, bei der das zu de-agglomerierende Pulver in einem geschlos­ senen Chargenbehälter 2 den Leistungsschallimpulsen ausge­ setzt ist. Als Leistungsschallquelle ist eine thermohydrau­ lische Stosswellenquelle 1 vorgesehen, die aufgrund ihrer Formgebung über eine Selbstfokussierung der Schallwelle Be­ reiche 10 hoher Schalldrucke zur Verfügung stellt und akus­ tisch mit einem Schallübertragungsmedium 3 in Verbindung steht. Der Chargen- bzw. Pulverbehälter 2 wird dabei in das Schallübertragungsmedium 3, beispielsweise Wasser, einge­ taucht. Das Pulver selbst kann zur Verbesserung der Schall­ übertragung mit einem geeigneten Medium, z. B. Wasser, Alko­ hole, Öle, etc., aufgeschlämmt sein.

Der Chargen- bzw. Pulverbehälter 2 ist auf einem Chargenträ­ ger 4 mit Verfahreinheit angeordnet. Es ist eine rechnerge­ steuerte Prozesskontrolle mit Rechner 5 vorhanden, die den Chargenträger 4, einen Chargenwechsler 6 sowie ein Leis­ tungsimpulsnetzteil 7 für die thermohydraulische Leistungs­ schallquelle ansteuert.

Die Charge wird für eine definierte Anzahl an Einzelimpulsen in den fokussierten Bereich eines mit einer Stosswellenquel­ le erzeugten Leistungsschallfeldes eingebracht, wobei die Platzierung innerhalb des Schallfeldes so gewählt wird, dass bei der gewünschten Anzahl an Einzelimpulsen die gesamte Charge mit einer ausreichend hohen Schallamplitude beauf­ schlagt wird.

In einer weiteren Ausführung kann bei Chargen, die größer sind als dem Querschnitt des Schallfeldes entspricht, die Charge oder die Schallquelle während der Beschallung raster­ förmig verfahren werden, so dass alle Bereiche der Charge mit einer ausreichenden Zahl an Impulsen genügend hoher Amplitude beaufschlagt werden. Beim Erreichen der notwendi­ gen Impulszahl wird die bereits behandelte Charge gegen eine neue ausgetauscht. Bild 2 zeigt die mit diesem Verfahren er­ haltene Verfeinerung eines keramischen Pulvers, das auch durch die bei der Korngrößenmessung notwendigen Ultraschall­ dispergierung agglomeriert bleibt.

Bei sehr hohen Schalldrucken - wie z. B. zur Behandlung von getemperten Pulvern - kann sogar eine über das Ursprungsmaß hinausgehende Pulververfeinerung, d. h. ein zusätzlicher Mahleffekt, erzielt werden, wie in Bild 3 demonstriert ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird anstelle der einzelnen, regelmäßig auszutauschenden Charge ein Durch­ flusskörper, z. B. Küvette, Schlauch o. ä., stetig von dem zu behandelten Pulver bzw. einer Aufschlämmung desselben durch­ strömt. Die Durchflussgeschwindigkeit und Querschnitt werden dabei so eingestellt, dass jede betrachtete Untermenge des Pulvers mit der zur De-Agglomeration notwendigen Impulszahl beaufschlagt wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform verwendet für den Transport des Pulvers ein Transportband oder einen Ultra­ schall-Transportkanal; die Leistungsschallimpulse werden da­ bei lateral oder von unten über ein geeignetes Medium, z. B. eine Flüssigkeit oder aber auch einen Festkörper, in das Band und die darauf befindliche Pulverschicht eingekoppelt.

Als Leistungsschallquelle mit hoher Lebensdauer wird bei diesem Verfahren eine Quelle nach dem thermohydraulischen Verfahren nach der WO 98/33171 A1 eingesetzt, bei der über eine geeignete Formgebung der Quelle eine Schallfokussierung zu für dieses Verfahren notwendigen Schallamplituden auf­ tritt, ohne dass zusätzliche akustische Linsen verwendet werden. Je nach der für ein bestimmtes Pulver benötigten Schallamplitude wird dabei ein punktförmiger Fokus (sphä­ risch oder ellipsoidisch geformte Quelle), ein linienförmi­ ger Fokus (zylindrische Quelle), oder ein zylindrischer Fo­ kus (poloidal geformte Quelle) eingesetzt. Gegebenenfalls kann auch eine nur schwach fokussierende, in Sonderfällen nicht fokussierende Quelle eingesetzt werden, wenn die Amp­ litude des im Nahfeld von der Schallquelle abgestrahlten Leistungsschallfeldes bereits zur Prozessierung des Pulvers ausreicht.

in Fig. 2 ist die De-Agglomeration von keramischen Pulvern am Beispiel eines Leuchtstoffes für elektrotechnische Anwen­ dungen verdeutlicht. Aufgetragen ist auf der Abszisse die Korngröße von Pulvern im logarithmischen Maßstab und auf der Ordinate der prozentuale Anteil des Pulvers bei der entspre­ chenden Korngröße. Dargestellt sind zwei Kurven 21, 22 für erfindungsgemäß behandelte Proben und eine Referenzprobe 20, die üblicherweise eine Gaußverteilung zeigt.

Ein Vergleich der Kurvenverläufe zeigt deutlich, dass eine erhebliche Vergleichmäßigung der Proben, die mit denn Verfah­ ren gemäß der Erfindung unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 behandelt wurden, vorliegt. Somit ergibt sich durch die Erfindung eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik.

In Fig. 3 ist, analog zu Fig. 2, die berührungslose und verunreinigungsfreie Mahlung eines keramischen Pulvers bei sehr hohen Schallintensitäten von über 50 MPa dargestellt. Aufgetragen ist auf der Abszisse die Korngröße von Pulvern im logarithmischen Maßstab und auf der Ordinate der prozentuale Anteil des Pulvers bei der entsprechenden Korngröße. Aus Fig. 3 ergibt sich, dass bei ausreichend hoher Amplitu­ de und Impulszahl eine über das ursprüngliche Maß hinausrei­ chende Verfeinerung des Pulvers auch für Korngrößen unter 20 µm erfolgt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Verfeinerung eines Pulvers unter Einsatz von Ultraschall mit folgenden Merkmalen:

• - es werden Einzelschallimpulse mit Amplituden von wenigs­ tens einigen MPa und Impulsdauern von typisch Mikrosekun­ den durch eine thermohydraulische Stosswellenquelle er­ zeugt,
• - die Schallwellen werden durch ein mit dem zu behandelnden Pulver nicht reagierenden Medium in das Pulver übertragen,
• - mit den Einzelschallimpulsen werden Agglomerationen in den Pulvern auch bei großen Bindungskräften aufgebrochen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass als Einzelschallimpulse Leistungs­ schall verwendet wird, der im Wesentlichen nur aus einer ein­ zigen Druckwelle, gefolgt von einer einzigen, deutlich schwä­ cheren Zugwelle, besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelschallimpulse Amplituden bis zu einigen 10 MPa aufweisen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass im diskonti­ nuierlichen Betrieb gearbeitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Pulver in Chargen aufgeteilt wird und dass einzelne Chargen des Pulvers den Schallimpulsen ausgesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass im kontinu­ ierlichen Betrieb gearbeitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Pulver im Durchgangsbetrieb den Schallimpulsen ausgesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Pulver in einem flüssigen Schallübertragungsmedium, insbesondere Wasser, Alkohol oder Ölen, suspendiert ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass Pulver in Form einer Schüttung auf einem Transportband od. dgl. verwendet wird, das durch die Zone der Schallimpulse gefahren wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Beschallung ein zusätzlicher Mahleffekt erreicht wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer nach dem thermohydrauli­ schen Prinzip arbeitenden Stoßwellenquelle (1), die fokus­ sierte Stoßwellen (10) über ein flüssiges Koppelmedium in das Pulver einkoppelt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Stoßwellenquelle (1) ei­ ne Einheit zur Bilderfassung (7) zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, dass der Stoßwel­ lenquelle (1) und der Einheit zur Bilderfassung (7) ein Rech­ ner (5) zugeordnet ist, der über Bildverarbeitung optisch die Lage des Behälters (20) für das Pulver relativ zum Stoßwel­ lenfokus ermittelt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoßwellenquelle (1) und der Einheit zur Bildverarbeitung (7) eine Positioniereinheit (4) zugeordnet ist, die über den Rechner (5) gesteuert die Lage des Behälters (20) für das Pulver relativ zum Fokus regelt.