DE102005028291A1

DE102005028291A1 - Homogenisierdüse und Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Zweikomponenten-Polyurethan-Lackemulsion

Info

Publication number: DE102005028291A1
Application number: DE102005028291A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Klinksiek; Lars Dr. Obendorf; Nusret Dipl.-Ing. Yuva; Markus Dr. Mechtel
Original assignee: Bayer MaterialScience AG
Current assignee: Covestro Deutschland AG
Priority date: 2005-06-18
Filing date: 2005-06-18
Publication date: 2006-12-21
Also published as: WO2006136292A1; US20060283979A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Homogenisierdüse 100, umfassend ein Gehäuse 10, einen entlang der Längsachse des Gehäuses 10 verschiebbar angeordneten Kolben 11, einen ersten Einlass 14 für eine erste Komponente, einen zweiten Einlass 15 für eine zweite Komponente sowie einen Auslass 16 für ein homogenisiertes Gemisch aus der ersten und zweiten Komponente, wobei der erste Einlass 14 und der Auslass 16 entlang der Längsachse des Gehäuses 10 derart angeordnet sind, dass durch Verschieben des Kolbens 11 der freie Querschnitt des ersten Einlasses 14 und der freie Querschnitt des Auslasses 16 variierbar sind. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Zweikomponenten-Polyurethan-Lackemulsion durch Vermischen wenigstens einer Isocyanat-reaktive Gruppen aufweisenden, wässrigen Bindemitteldispersion und eines Polyisocyanats unter Verwendung der Homogenisierdüse beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Homogenisierdüse sowie ein Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Zweikomponenten-Polyurethan-Lackemulsion unter Verwendung der Homogenisierdüse.

Aus EP-B 0 685 544 ist ein Verfahren zur Herstellung wässriger Zweikomponenten-Polyurethan-Lackemulsionen auf Basis isocyanatreaktive Wasserstoffatome aufweisender Bindemittelharze und Polyisocyanate durch Vermischen der Komponenten mit Wasser bekannt. Im kontinuierlichen Betrieb werden eine Polyol-Wasser-Dispersion einerseits und ein Polyisocyanat andererseits einem Strahldispergator zur Dispergierung zugeführt. Zur feinteiligen Emulgierung des Polyisocyanats mit einer Partikelgröße von ca. 0,5 μm in der wässrigen Polyolemulsion mit einer Partikelgröße von ca. 0,2 μm sind Homogenisierdrücke von etwa 5 MPa erforderlich. Die Stabilisierung der Isocyanatpartikel erfolgt durch die ionisch modifizierten Polyolpartikel. Ein Emulgator ist nicht notwendig.

Aus WO 01/05860 bzw. WO 01/05517 ist ferner ein verstellbarer Strahldispergator zur Herstellung wässriger Zweikomponenten-Polyurethan (PUR)-Emulsionen bekannt. Die Lackemulsion wird auf Basis Isocyanat-reaktive Gruppen aufweisender wässriger Bindemitteldispersionen und Polyisocyanate durch Vermischen der beiden Komponenten unter einem Druck von 1 bis 30 MPa in einem verstellbaren Strahldispergator mit zu- oder abschaltbaren Düsenbohrungen oder Schlitzen hergestellt. Dabei wird zunächst bei einem verhältnismäßig geringen Druck von z.B. 0,1 MPa eine Voremulsion hergestellt. Anschließend erfolgt die Homogenisierung bei einem Druck von 1 bis 30 MPa in einem regelbaren Strahldispergator. Durch Verstellen des geregelten Steuerkolbens mit Hilfe eines Pneumatikzylinders wird entweder eine bestimmte Anzahl von Bohrungen oder eine bestimmte Länge des Schlitzes freigegeben. Hierdurch wird, bei kontinuierlich variierbarem Mengendurchsatz des Dispergiergutes, eine gleichbleibend gute Dispergierqualität erzeugt. Der Nachteil an dem aus WO 01/05860 bzw. WO 01/05517 bekannten Strahldispergator bzw. Herstellverfahren ist, dass eine separate Vorrichtung für die Bildung der Voremulsion erforderlich ist. Diese separate Vorrichtung ist außerdem nicht verstellbar, so dass die Qualität der Voremulsion bei veränderlichem Durchsatz, und damit veränderlichem Druck, schwankt.

Die aus EP 685 544 A , insbesondere 4, bekannte Dispergierdüse hat ebenfalls den Nachteil, dass eine separate Vorrichtung für die Bildung der Voremulsion erforderlich ist. Wird die aus EP 685 544 A bekannte Dispergierdüse für die Herstellung von Lacken eingesetzt, ist ein vergleichsweise hoher Druck von mehr als 50 bar erforderlich.

Aus WO 04/76515 ist ein Verfahren bekannt, bei dem bei Drücken unter 25 bar feinteilige Dispersionen erzielt werden. Dabei wird ebenfalls zunächst mit Hilfe eines Mischers ein Zweikomponenten-Lackgemisch erzeugt, welches anschließend in einem Homogenisierer homogenisiert wird. Im Ausgangsbereich des Homogenisierers zweigt eine Rückführleitung ab, die in den Eingangsbereich des Homogenisierers ausmündet, um einen Teil des von dem Homogenisierers homogenisierten Lackgemischs einer erneuten Homogenisierung zuzuführen. Daher ist es erforderlich, eine Pumpe als Kreislaufförderaggregat zu betreiben, die mit gemischtem, reaktiven Material in Verbindung steht. Neben dem zusätzlichen Förderaggregat für den Kreislaufstrom besteht ein weiterer Nachteil des Verfahrens darin, dass eine Voremulsion hergestellt werden muss, deren Qualität außerdem Schwankungen unterliegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Homogenisierdüse zur Verfügung zu stellen, welche möglichst einfach aufgebaut ist und bei möglichst niedrigen Drücken feinteilige Emulsionen oder Suspensionen erzeugt. Die Homogenisierdüse soll zwei Ausgangsströme direkt zusammenzuführen, ohne dass die Herstellung einer Voremulsion in einer separaten Vorrichtung erforderlich ist. Gleichzeitig soll entweder bei wechselnden Durchflüssen ein konstanter Druck gewährleistet sein oder aber bei konstantem Durchfluss der Druck frei wählbar sein.

Weiterhin besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Zweikomponenten-Polyurethan-Lackemulsion durch Vermischen wenigstens einer Isocyanat-reaktive Gruppen aufweisenden, wässrigen Bindemitteldispersion und eines Polyisocyanats bereitzustellen, welches ohne Herstellung einer Voremulsion eine feinteilige Lackemulsion liefert.

Gegenstand der Erfindung ist eine Homogenisierdüse umfassend ein Gehäuse, einen entlang der Längsachse des Gehäuses verschiebbar angeordneten Kolben, einen ersten Einlass für eine erste Komponente, einen zweiten Einlass für eine zweite Komponente sowie einen Auslass für ein homogenisiertes Gemisch aus der ersten und zweiten Komponente, wobei der erste Einlass und der Auslass entlang der Längsachse des Gehäuses derart angeordnet sind, dass durch Verschieben des Kolbens der freie Querschnitt des ersten Einlasses und der freie Querschnitt des Auslasses variierbar sind.

Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Homogenisierdüse ist vorzugsweise zylinderförmig, kann jedoch prinzipiell einen beliebigen Querschnitt aufweisen. Dementsprechend ist der in dem Gehäuse gelagerte Kolben ebenfalls vorzugsweise zylinderförmig. Der Kolben kann entlang der Längsachse des Gehäuses bewegt werden. Dazu ist der Kolben an einem ersten Ende des Gehäuses gelagert. Das gegenüberliegende zweite Ende des Gehäuses wird nachfolgend als freies Ende oder als Boden des Gehäuses bezeichnet. Die Wand des Gehäuses, entlang derer der Kolben bewegbar ist, wird nachfolgend auch als Seitenwand bezeichnet. Der Kolben weist einen mechanischen, elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Antrieb auf. Für sehr schnelle und präzise Änderungen der Kolbenstellung ist ein elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Antrieb bevorzugt. Dies ist insbesondere für Anwendungen erforderlich, bei denen der Durchsatz schnell und stark variieren kann, wie z.B. bei den schnell schwankenden Abnahmemengen von Lackierglocken in Lackierstraßen.

Das Gehäuse, insbesondere die Innenwand des Gehäuses, und/oder der Kolben bestehen bevorzugt aus Keramik oder weisen eine Keramikbeschichtung auf. Dies ermöglicht eine Fertigung der Homogenisierdüse mit sehr engen Toleranzen und sichert eine sehr leichte Bewegbarkeit des Kolbens nahezu ohne Leckage. Als Keramikmaterial wird insbesondere Zirkonoxid oder SiC eingesetzt. Dies ermöglicht, auch abrasive Füllstoffe (z.B. SiO₂ oder TiO₂) enthaltende Mischungskomponenten (z.B. Lackkomponenten) störungsfrei über einen längeren Zeitraum zu verarbeiten.

Die erfindungsgemäße Homogenisierdüse weist wenigstens zwei Einlässe und einen Auslass auf. Der erste Einlass dient der Zuführung einer ersten Komponente bzw. eines ersten Komponentengemisches, der zweite Einlass dient der Zuführung einer zweiten Komponente bzw. eines zweiten Komponentengemisches. Nachfolgend werden vereinfacht die Begriffe erste und zweite Komponente verwendet, wobei die Begriffe jeweils ein erstes bzw. zweites Komponentengemisch umfassen. Beim Austritt der ersten und zweiten Komponente durch den Auslass wird ein homogenisiertes Gemisch der beiden Komponenten gebildet.

Erfindungsgemäß sind in der Seitenwand des Gehäuses entlang der Längsachse der erste Einlass und der Auslass des Gehäuses vorgesehen. Sie sind derart angeordnet, dass durch Verschieben des Kolbens der freie Querschnitt des ersten Einlasses und der freie Querschnitt des Auslasses variierbar sind. Als freier Querschnitt wird der Teil des Querschnitts des ersten Einlasses bzw. des Auslasses angesehen, der offen ist, d.h. der nicht durch den Kolben verschlossen ist.

Der erste Einlass und/oder der Auslass können aus einer Vielzahl von entlang der Längsachse angeordneten Bohrungen oder aus wenigstens einem entlang der Längsachse angeordneten Schlitz bestehen. Dies bedeutet, dass mehrere Ausführungsformen möglich sind. Der erste Einlass kann eine Vielzahl von Bohrungen aufweisen, während der Auslass wenigstens einen Schlitz aufweist. Es kann jedoch auch andersherum der erste Einlass wenigstens einen Schlitz aufweisen, während der Auslass aus einer Vielzahl von Bohrungen bestehen kann. Weiterhin ist es möglich, dass sowohl für den ersten Einlass als auch für den Auslass Bohrungen vorgesehen sind. Schließlich kann für den ersten Einlass wie auch für den Auslass wenigstens jeweils ein Schlitz vorgesehen sein. Die Ausführungsformen des ersten Einlasses und des Auslasses können unabhängig von einander gewählt werden. Dies bezieht sich nicht nur auf die Form der Öffnung, also Bohrung oder Schlitz, sondern auch auf die Anzahl der Bohrungen bzw. Schlitze und anderer Parameter der Öffnungen, wie Querschnitt der Bohrungen, Länge und Breite eines Schlitzes etc.

Vorzugsweise beträgt der Querschnitt des ersten Einlasses 8·10^–11 bis 8·10^–3 m² und der Querschnitt des Auslasses 8·10^–11 bis 8·10^–3 m². Im Falle von Bohrungen als ersten Einlass und/oder Auslass wird als Querschnitt die Gesamtfläche der Bohrungen angesehen. Im Falle eines Schlitzes entspricht die Fläche des Schlitzes, gebildet aus Schlitzlänge und Schlitzbreite, dem Querschnitt. Sind mehrere Schlitze als erster Einlass und/oder als Auslass vorgesehen, wird als Querschnitt die Summe der Schlitzflächen angesehen. Die Bohrungen bzw. Schlitze sind so positioniert, dass der freie Querschnitt, d.h. der Anteil des Querschnitts, der geöffnet ist, von der Stellung des Kolbens abhängt.

Im Falle von Bohrungen variiert mit der Stellung des Kolbens die Zahl der offenen bzw. geschlossenen Bohrungen. Die Anzahl der Bohrungen beträgt vorzugsweise 1 bis 10000 mit einem bevorzugten Durchmesser von 10 bis 1000 μm. Die Bohrungen können von beliebigem Querschnitt sein, z.B. rund, oval, eckig. Die Bohrungen sind reihenweise entlang der Längsachse des Gehäuses angeordnet. Dabei können die Bohrungen regelmäßige oder unregelmäßige Abstände zueinander aufweisen. Sind mehrere Reihen von Bohrungen entlang der Längsachse des Gehäuses vorgesehen, so können die Bohrungen der verschiedenen Reihen entlang der Längsachse gegeneinander versetzt sein. Ist mehr als eine Reihe von Bohrungen vorhanden, sind die Bohrungen verschiedener Reihen entlang der Längsachse vorzugsweise so gegeneinander versetzt, dass eine quasi kontinuierliche Veränderung des freien Querschnitts möglich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Reihe von Bohrungen vorgesehen.

Im Falle von Schlitzen variiert durch das Verschieben des Kolbens die Schlitzlänge, die offen bzw. geschlossen ist. Die Gesamtlänge eines Schlitzes beträgt vorzugsweise 1 bis 50 mm, besonders bevorzugt 5 bis 15 mm. Die Schlitzbreite beträgt bevorzugt 10 bis 1500 μm, besonders bevorzugt von 50 bis 400 μm. Ein Schlitz kann auch eine andere als eine rechteckige Form haben, z.B. eine trapezförmige Form haben, so dass die Breite des Schlitzes über die Gesamtlänge des Schlitzes, d.h. entlang der Längsachse des Gehäuses, variiert. Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Schlitze 1 bis 250, besonders bevorzugt 1 bis 5.

Die Tiefe der Bohrungen ist so gewählt, dass sie das 0,5-fache bis 20-fache der Breite, bevorzugt das 1-fache bis 10-fache, besonders bevorzugt das 1,5-fache bis 5-fache der Breite, beträgt. Die Tiefe ist definiert als Wandstärke (d.h. Dicke der Gehäusewand) im Bereich der Bohrungen bzw. Schlitze. Im Bereich der Bohrungen bzw. der Schlitze kann die Gehäusewand dünner sein als die Gehäusewand in den übrigen Bereichen der Seitenwand. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass im Bereich um die Bohrungen bzw. Schlitze herum die Gehäusewand ausgefräst wird. Unter der Breite ist im Falle von Bohrungen der Durchmesser der Bohrungen zu verstehen, im Falle von Schlitzen die Breite der Schlitze.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Einlass und der Auslass im Wesentlichen diametral zueinander in der Seitenwand des Gehäuses angeordnet. Andere Positionierungen sind möglich. So können z.B. der zweite Einlass und der Auslass im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sein oder aber in einem beliebigen Winkel zueinander stehen. Der erste Einlass und der Auslass können entlang der Längsachse des Gehäuses zueinander versetzt angeordnet sein, so dass beim Zurückziehen des Kolbens entweder zuerst der erste Einlass und dann der Auslass oder zuerst der Auslass und dann der erste Einlass geöffnet wird. Es ist jedoch auch möglich, eine Anordnung des ersten Einlasses und des Auslasses entlang der Längsachse des Gehäuses ohne Versatz zu wählen.

Der zweite Einlass für eine zweite Komponente ist im Bereich des freien Endes des Gehäuses angeordnet. Der zweite Einlass kann so angeordnet sein, dass er unabhängig von der Stellung des Kolbens entlang der Längsachse des Gehäuses offen steht. Dies ist dann der Fall, wenn der zweite Einlass im Boden des Gehäuses angeordnet ist. Der zweite Einlass kann jedoch auch so angeordnet sein, dass er durch Verschiebung des Kolbens entlang der Längsachse des Gehäuses geöffnet oder geschlossen wird. In dieser Ausführungsform ist der zweite Einlass in der Seitenwand im Bereich des freien Endes angeordnet. Ist der zweite Einlass in der Seitenwand des Gehäuses vorgesehen, dann ist er so angeordnet, dass beim Zurückziehen des Kolbens der zweite Einlass geöffnet wird, bevor der erste Einlass und der Auslass geöffnet werden.

Der zweite Einlass kann eine einzelne Bohrung von beliebigem Querschnitt, z.B. rund, sein. Er kann jedoch auch aus zwei oder mehreren Bohrungen bestehen. Als zweiter Einlass dient insbesondere eine Öffnung mit einem Durchmesser von 0,5 bis 10 mm, besonders bevorzugt von 3 bis 6 mm.

Vorzugsweise ist die Homogenisierdüse mit einer Einrichtung zur Spülung des Kolbens versehen. Hierzu ist z.B. eine Spülbohrung in der Seitenwand in dem Bereich des Gehäuses angeordnet, in dem der Kolben gelagert ist. Über die Spülbohrung kann an die Homogenisierdüse eine Spülkammer angeschlossen sein. Die Spülkammer kann mit einer Spülflüssigkeit, z.B. einer alkoholhaltigen, wässrigen Lösung und/oder einem Lösungsmittel, befüllt sein. Durch Zurückziehen des Kolbens werden zunächst der erste Einlass und der Auslass und bei weiterem Zurück ziehen auch die Spülbohrung geöffnet, so dass Spülflüssigkeit in die Homogenisierdüse fließen kann.

Die erfindungsgemäße Homogenisierdüse erlaubt die Herstellung feinteiliger Emulsionen in einer einzigen Homogenisierdüse. Um feinteilige Emulsionen zu erzielen, muss bei Verwendung der erfindungsgemäßen Homogenisierdüse keine Voremulsion in einer vorgeschalteten Mischeinrichtung, z.B. einer zweiten Düse, gebildet werden. Bei der erfindungsgemäßen Homogenisierdüse findet eine erste Zerteilung der zu dispergierenden Phase beim Eintritt in die Homogenisierdüse statt. Eine zweite Zerteilung erfolgt beim Austritt des Gemisches aus der Homogenisierdüse. Ein weiterer Vorteil liegt in der Verstellbarkeit der Homogenisierdüse. Durch Verschieben des Kolbens kann im Falle von Schlitzen oder bei entsprechend versetzter Anordnung der Bohrungen der Durchfluss kontinuierlich variiert werden. Ferner erlaubt die Homogenisierdüse die Regelung des Dispergierdrucks bei konstantem Durchfluss. Alternativ erlaubt die Homogenisierdüse einen konstanten Dispergierdruck, und damit eine konstante Dispersionsqualität, bei variablem Durchsatz.

Mit der erfindungsgemäßen Homogenisierdüse werden im Wesentlichen gleiche Emulsionsqualitäten, wie aus dem Stand der Technik bekannt bei deutlich niedrigeren Drücken als im Stand der Technik bekannt, erhalten. Die Emulsionsqualität lässt sich beispielsweise anhand der Partikelgröße bewerten.

Die erfindungsgemäße Homogenisierdüse eignet sich beispielsweise für die Herstellung von Emulsionen, wie Lebensmittelemulsionen, Wirkstoffemulsionen aus z.B. Pharmazie oder Pflanzenschutz, oder chemische Emulsionen, z.B. für Anwendungen im Bereich der Fotografie, für Baustoffe, Lacke, Klebstoffe, sowie für die Herstellung von Suspensionen. Die Homogenisierdüse eignet sich auch zur Durchführung von zweiphasigen Reaktionen, die eine Phasengrenzfläche benötigen, z.B. Nitrierungen, Hydroformulierungen oder Telomerisationen oder zur Durchführung von einphasigen Reaktionen, in denen es auf die schnelle Vermischung mehrerer Komponenten direkt bei ihrer Zusammenführung ankommt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zweikomponenten-Lackgemisches durch Vermischen zweier Lackkomponenten unter Verwendung der erfindungsgemäßen Homogenisierdüse. Insbesondere kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen Homogenisierdüse ein Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Zweikomponenten-Polyurethan-Lackemulsion durch Vermischen wenigstens einer Isocyanat-reaktive Gruppen aufweisenden, wässrigen Bindemitteldispersion und eines Polyisocyanats durchgeführt werden.

In einer ersten Ausführungsform des Verfahrens wird das Polyisocyanat über den ersten Einlass und die Bindemitteldispersion über den zweiten Einlass zugeführt. In einer zweiten Ausführungsform erfolgt die Zuführung der ersten und der zweiten Komponente in umgekehrter Weise, d.h. die Bindemitteldispersion wird über den ersten Einlass, das Polyisocyanat über den zweiten Einlass zugeführt.

Erfindungsgemäß können alle auch bisher schon für Zweikomponenten-Polyurethan-Lacke eingesetzten Bindemittel und Vernetzerkomponenten, wie sie beispielsweise aus EP-A 358 979, EP-A 496 205, EP-A 469 389, EP-A 520 266, EP-A 540 985, EP-A 542 105, EP-A 543 228, EP-A 548 669, EP-A 562 282 und EP-A 583 728 bekannt sind, eingesetzt werden.

Als isocyanatreaktive Wasserstoffatome aufweisende, wässrige Bindemitteldispersion eignen sich z.B. isocvanatreaktive Gruppen aufweisende Polyacrylate, Polyester, Urethan-modifizierte Polyester, Polyether, Polycarbonate oder Polyurethane, insbesondere solche mit einem Molekulargewicht von 1 000 bis 10 000 g/mol. Als isocyanatreaktive Gruppen werden bevorzugt Hydroxylgruppen eingesetzt. Die Bindemittelharze werden als wässrige Dispersionen eingesetzt.

Als Polyisocyanatkomponente sind beliebige organische Polyisocyanate mit aliphatisch, cycloaliphatisch, araliphatisch und/oder aromatisch gebundenen, freien Isocyanatgruppen, die bei Raumtemperatur flüssig sind, geeignet. Die Polyisocyanatkomponente sollte im Allgemeinen eine Viskosität von 20 bis 1 000 mPa·s, vorzugsweise von maximal 500 mPa·s, aufweisen. Jedoch können auch höherviskose Polyisocyanate eingesetzt werden, wenn die Viskosität der Polyisocyanatkomponente durch einen entsprechenden Lösungsmittelgehalt herabgesetzt ist.

Bevorzugt werden als Polyisocyanate solche mit ausschließlich aliphatisch und/oder cycloaliphatisch gebundenen Isocyanatgruppen mit einer zwischen 2,2 und 5,0 liegenden mittleren NCO-Funktionalität und einer Viskosität von 50 bis 500 mPa·s bei 23 °C eingesetzt.

Es können erfindungsgemäß auch aus dem Stand der Technik bekannte hydrophilierte Polyisocyanate mit aliphatisch und/oder cycloaliphatisch gebundenen Isocyanatgruppen alleine oder anteilig verwendet werden. Beispiele für bekannte hydrophilierte Polyisocyanate sind Polyether-modifizierte Polyisocyanate, Polyisocyanate, die chemisch gebundene Carboxylgruppen enthalten oder Sulfonatgruppen enthaltende Polyisocyanate.

Ferner können die in der Lackchemie bekannten üblichen Zusatz- und Modifizierungsmittel eingesetzt werden.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Lackemulsion wird nach dem Austritt aus der Homogenisierdüse möglichst unmittelbar einer geeigneten Applikationsvorrichtung, beispielsweise einer Zerstäuberdüse, zugeführt.

Die Volumenströme der ersten und zweiten Komponente liegen jeweils bevorzugt im Bereich von 1 bis 100 l/h, besonders bevorzugt von 3 bis 60 l/h. Sie können jedoch auch im Bereich von 0,01 bis 10000 l/h liegen.

Der Druck beträgt bevorzugt 0,1 bis 100 bar, besonders bevorzugt 0,1 bis 50 bar, ganz besonders bevorzugt 1 bis 25 bar. Bei dem Druck handelt es sich um den Dispergierdruck einer einzelnen Komponente, welcher definiert ist als die Differenz aus Eingangsdruck einer Komponente und Druck des Gemisches nach dem Austritt aus der Homogenisierdüse.

Der erfindungsgemäße Einsatz der erfindungsgemäßen Homogenisierdüse zur Herstellung einer wässrigen Zweikomponenten-Polyurethan-Lackemulsion zeichnet sich dadurch aus, dass bereits bei verhältnismäßig geringen Drücken von weniger als 50 bar ohne Voremulsionsbildung feinteilige Emulsionen erzielt werden. Anders als bei der Herstellung von Lackemulsionen gemäß WO 01/05860 bzw. WO 01/05517 ist demnach keine zweite vorgeschaltete Düse zur Herstellung einer Voremulsion notwendig. Dies verringert den apparativen Aufwand, da nur eine Düse vorgesehen werden muss und kleinere Abmaße möglich sind.

Ferner kann eine gleich bleibende Qualität der Lackemulsion bei schwankendem Durchfluss und bei niedrigeren Drücken im Vergleich zum Stand der Technik erzielt werden. Andererseits kann bei konstantem Durchfluss der Druck geregelt werden.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Substrat, welches mit einer Lackschicht auf Basis wenigstens einer wässrigen Zweikomponenten-Polyurethan-Lackemulsion beschichtet ist, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Lackemulsionen eignen sich für alle Einsatzgebiete, in denen wässrige Anstrich- und Beschichtungssysteme mit hohen Anforderungen an die Beständigkeit und die optische Qualität erforderlich sind, z.B. für die Beschichtung mineralischer Baustoff-Oberflächen, Lackierung und Versiegelung von Holz und Holzwerkstoffen, Beschichtung metallischer Oberflächen (Metallbeschichtung), Lackierung und Versiegelung diverser Kunststoffoberflächen (Kunststoffbeschichtung) sowie Hochglanzlacke.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten schematsichen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Homogenisierdüse mit jeweils einem Schlitz für den ersten Einlass und den Auslass im Längsschnitt
1b die in 1a dargestellte Homogenisierdüse im Querschnitt entlang der Achse A-A in 1a
2a eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Homogenisierdüse mit jeweils in einer Reihe angeordneten Bohrungen für den ersten Einlass und den Auslass im Längsschnitt
2b die in 2a dargestellte Homogenisierdüse im Querschnitt entlang der Achse A-A in 2a
3 eine Ausführungsform wie in 2 gezeigt mit einer zusätzlichen Spülbohrung.
In 1a ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Homogenisierdüse 100 dargestellt. Das Gehäuse 10 ist zylinderförmig mit einer Längsachse, die in 1a durch eine strichpunktierte Linie 19 angedeutet ist. Das Gehäuse 10 weist ein erstes Ende 12a auf, in dessen Bereich der Kolben 11 gelagert ist. Der Kolben 11 ist in dem Gehäuse 10 entlang der Längsachse bewegbar. Gegenüber dem ersten Ende 12a befindet sich das zweite Ende 12b, das auch als freies Ende bezeichnet wird. Die Seitenwand 13 des Gehäuses 10 weist einen ersten Einlass 14 auf, der in Form eines Schlitzes 17 ausgeführt ist. Gegenüber dem ersten Einlass 14 befindet sich ein Auslass 16, der ebenfalls die Form eines Schlitzes 17 hat. Die Schlitze 17 des ersten Einlasses und des Auslasses sind entlang der Längsachse des Gehäuses 10 angeordnet, so dass der freie Querschnitt der Schlitze durch die Stellung des Kolbens 11 variiert werden können. In einem Bereich 18 um die Schlitze 17 herum ist die Gehäusewand 13 dünner als in den übrigen Bereichen des Gehäuses 10. Die Tiefe der Schlitze 17 entspricht der Stärke der Gehäusewand 14 in diesem Bereich 18. Im Bereich des freien Endes 12b des Gehäuses 10 ist ein zweiter Einlass 15 vorgesehen. Durch die Anordnung des zweiten Einlasses 15 im Boden 12b des Gehäuses ist der freie Querschnitt des zweiten Einlasses 15 nicht durch die Stellung des Kolbens 11 variierbar.
1b ist zu entnehmen, dass in der dargestellten Ausführungsform der erste Einlass 14 und der Auslass 16 diametral angeordnet sind. Außerdem ist anhand 1b zu erkennen, dass als ersten Einlass 14 und Auslass 16 jeweils ein Schlitz 17 vorgesehen ist.
Anders als in 1a bzw. 1b sind bei der in 2a bzw. 2b dargestellten Ausführungsform der Homogenisierdüse 200 der erste Einlass 24 und der Auslass 26 jeweils als eine entlang der Längsachse des Gehäuses 10 angeordnete Reihe von Bohrungen 27 ausgeführt. Dabei ist für den ersten Einlass 24 und den Auslass 26, wie in 2b zu erkennen, jeweils eine Reihe von Bohrungen 27 vorgesehen. Auch in dieser Ausführungsform ist in einem Bereich 28 um die Bohrungen 27 herum die Gehäusewand 13 dünner als in den übrigen Bereichen des Gehäuses 10. Die Tiefe der Bohrungen 27 entspricht der Stärke der Gehäusewand 14 in diesem Bereich 28.
Die in 3 gezeigte Ausführungsform der Homogenisierdüse 300 ähnelt der Ausführungsform aus 2a bzw. 2b, ist jedoch zusätzlich mit einer Spülbohrung 38 ausgestattet. Die Spülbohrung 38 ist in der Seitenwand 13 des Gehäuses 10 angeordnet. Die Position der Spülbohrung 38 ist so gewählt, dass die Spülbohrung 38 durch Zurückziehen des Kolbens 11 erst dann geöffnet wird, wenn der erste Einlass 24 und der Auslass 26 geöffnet sind. Durch Zurückziehen des Kolbens 11 werden somit zuerst der erste Einlass 24 sowie der Auslass 26 geöffnet, bevor die Spülbohrung 38 geöffnet wird.
Beispiele
Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)
Für das Beispiel wird folgende Rezeptur gewählt:
Als isocyanatreaktive Wasserstoffatome aufweisende, wässrige Bindemitteldispersion:

– 48,3 Gew.-% einer OH-funktionellen Polyacrylatdispersion mit einem nichtflüchtigen Anteil (DIN EN ISO 3251) von ca. 46 Gew.-%, einer Viskosität (23°C, DIN EN ISO 3219) von maximal 1500 mPa·s und einem OH-Gehalt bezogen auf Festharz von 4,5 Gew.-%
– 7,5 Gew.-% einer OH-funktionellen Polyurethandispersion mit einem nichtflüchtigen Anteil (DIN EN ISO 3251) von ca. 45 Gew.-%, einer Viskosität (23°C, DIN EN ISO 3219) von maximal 1200 mPa·s und einem OH-Gehalt bezogen auf Festharz von 3,8 Gew.-%
– 0,3 Gew.-% Baysilone^® -Lackadditiv 3739 (Borchers GmbH, Deutschland)
– 0,1 Gew.-% Baysilone^®-Lackadditiv 3738 (Borchers GmbH, Deutschland)
– 13,8 Gew.-% destilliertes Wasser.

Als Polyisocyanat:

– 18,0 Gew.-% eines isocyanuratgruppenhaltigen Polyisocyanates auf Basis von 1,6-Diisocyanatohexan (HDI) mit einem NCO-Gehalt von 23,2%, einer mittleren NCO-Funktionalität von 3,2 (nach Gelpermeationschromotographie), einem Gehalt an monomerem HDI von kleiner 0,25% und einer Viskosität von 1200 mPa·s (23°C)
– 1,7 Gew.-% Tinuvin^® 1130 (Ciba Spezialitätenchemie GmbH, Deutschland), 50%ig in Rhodiasolv^® RP DE (Brenntag GmbH, Deutschland)
– 0,9 Gew.-% einer 50 gew.%igen Lösung von Tinuvin^® 292 (Ciba Spezialitätenchemie GmbH) in Rhodiasolv RP DE
– 9,4 Gew.-% Colöser Rhodiasolv RP DE.

Aus der wässrigen Bindemitteldispersion und dem Polyisocyanat wurde mit einer Mischeinrichtung auf Basis eines Rotor-Stator-Systems eine Voremulsion hergestellt. Zur Herstellung einer Zweikomponenten-Polyurethandispersion wurde diese Voremulsion mit einer 3-Kopf-Kolbenpumpe bei unterschiedlichen Drücken (= Differenzdruck über den Strahldispergator) durch einen aus DE 19510651 A bekannten Strahldispergator gedrückt. Der Strahldispergator hatte dabei 2 Düsenbohrungen von 0,4 mm Durchmesser.
Mit den so hergestellten wässrigen Zweikomponenten-Polyurethandispersionen wurden folgende Untersuchungen zur Beurteilung der Dispergier- und Lackqualität, angelehnt an DIN 53230, durchgeführt:
Test A: Es wurde ein Film der Lackemulsion mit einer Nassfilmschichtdicke von 90 μm auf eine Glasplatte aufgezogen. Beurteilt wurde die Transparenz, Schnee und Stippen des Nassfilms bei Durchsicht mit Noten 0 bis 5 (0 = sehr gute Dispergierqualität, d.h. Film ist völlig transparent, keine Stippen, kein Schnee; 5 = sehr schlechte Dispergierqualität, der Film ist milchig und/oder hat sehr viele Stippen/Schnee)
Test B: Die auf die Glasplatte gerakelte wässrige Zweikomponenten-Polyurethandispersionen wurde 30 min bei 130°C ausgehärtet. Beurteilt wurde die Filmoptik mit Noten 0 bis 5 (0 = sehr gute Filmoptik, d.h. Film ist völlig transparent, keine Stippen, kein Schnee; 5 = sehr schlechte Filmoptik, der Film hat sehr viele Stippen/Schnee)
Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)
Für das Beispiel wird folgende Rezeptur gewählt:
Als isocyanatreaktive Wasserstoffatome aufweisende, wässrige Bindemitteldispersion:

– 51,5 Gew.-% einer OH-funktionellen Polyacrylatdispersion mit einem nichtflüchtigen Anteil (DIN EN ISO 3251) von ca. 46 Gew.-%, einer Viskosität (23°C, DIN EN ISO 3219) von maximal 1500 mPa·s und einem OH-Gehalt bezogen auf Festharz von 4,5 Gew.-%
– 8,1 Gew.-% einer OH-funktionellen Polyurethandispersion mit einem nichtflüchtigen Anteil (DIN EN ISO 3251) von ca. 45 Gew.-%, einer Viskosität (23°C, DIN EN ISO 3219) von maximal 1200 mPa·s und einem OH-Gehalt bezogen auf Festharz von 3,8 Gew.-%
– 0,3 Gew.-% Baysilone^® -Lackadditiv 3739 (Borchers GmbH, Deutschland)
– 0,1 Gew.-% Baysilone^®-Lackadditiv 3738 (Borchers GmbH, Deutschland)
– 10,0 Gew.-% destilliertes Wasser.

Als Polyisocyanat:

– 19,2 Gew.-% eines isocyanuratgruppenhaltigen Polyisocyanates auf Basis von 1,6-Diisocyanatohexan (HDI mit einem NCO-Gehalt von 23,2%, einer mittleren NCO-Funktionalität von 3,2 (nach Gelpermeationschromotographie), einem Gehalt an monomerem HDI von kleiner 0,25% und einer Viskosität von 1200 mPa·s (23°C)
– 1,9 Gew.-% Tinuvin^® 1130 (Ciba Spezialitätenchemie GmbH, Deutschland), 50%ig in Rhodiasolv^® RP DE (Brenntag GmbH, Deutschland)
– 0,9 Gew.-% einer 50 gew.-%igen Lösung von Tinuvin 292 (Ciba Spezialitätenchemie GmbH) in Rhodiasolv RP DE
– 8,0 Gew.-% Colöser Rhodiasolv RP DE.

Aus der wässrigen Bindemitteldispersion und dem Polyisocyanat wurde mit einer Mischeinrichtung auf Basis eines Rotor-Stator-Systems eine Voremulsion hergestellt. Zur Herstellung einer Zweikomponenten-Polyurethandispersionen wurde diese Voremulsion mit einer 3-Kopf-Kolbenpumpe bei unterschiedlichen Drücken (= Differenzdruck über den Strahldispergator) durch einen aus DE 19510651 A bekannten Strahldispergator gedrückt. Der Strahldispergator hatte dabei 2 Düsenbohrungen von 0,4 mm Durchmesser.
Die so hergestellten wässrigen Zweikomponenten-Polyurethandispersionen wurden den unter Beispiel 1 beschriebenen Tests A und B unterworfen.
Beispiel 3 (Ausführungsbeispiel):
Für das Beispiel wird folgende Rezeptur gewählt:
Als isocyanatreaktive Wasserstoffatome aufweisende, wässrige Bindemitteldispersion:

– 48,3 Gew.-% einer OH-funktionellen Polyacrylatdispersion mit einem nichtflüchtigen Anteil (DIN EN ISO 3251) von ca. 46 Gew.-%, einer Viskosität (23°C, DIN EN ISO 3219) von maximal 1500 mPa·s und einem OH-Gehalt bezogen auf Festharz von 4,5 Gew.-%
– 7,6 Gew.-% einer OH-funktionellen Polyurethandispersion mit einem nichtflüchtigen Anteil (DIN EN ISO 3251) von ca. 45 Gew.-%, einer Viskosität (23°C, DIN EN ISO 3219) von maximal 1200 mPa·s und einem OH-Gehalt bezogen auf Festharz von 3,8 Gew.-%
– 0,3 Gew.-% Baysilone^®-Lackadditiv 3739 (Borchers GmbH, Deutschland)
– 0,1 Gew.-% Baysilone^® -Lackadditiv 3738 (Borchers GmbH, Deutschland)
– 8,4 Gew.-% destilliertes Wasser.

Als Polyisocyanat:

– 18,0 Gew.-% eines isocyanuratgruppenhaltigen Polyisocyanates auf Basis von 1,6-Diisocyanatohexan (HDI) mit einem NCO-Gehalt von 23,2%, einer mittleren NCO-Funktionalität von 3,2 (nach Gelpermeationschromotographie), einem Gehalt an monomerem HDI von kleiner 0,25% und einer Viskosität von 1200 mPa·s (23°C)
– 1,7 Gew.-% Tinuvin^® 1130 (Ciba Spezialitätenchemie GmbH, Deutschland), 50%ig in Rhodiasolv^® RP DE (Brenntag GmbH, Deutschland)
– 0,9 Gew.-% einer 50 gew.-%igen Lösung von Tinuvin^® 292 (Ciba Spezialitätenchemie GmbH) in Rhodiasolv RP DE
– 8,4 Gew.-% Colöser Rhodiasolv RP DE.

Zur Herstellung einer Zweikomponenten-Polyurethandispersion wurden die wässrige Bindemitteldispersion und das Polyisocyanat einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Homogenisierdüse zugeführt. Der Kolben besaß einen Durchmesser von 6 mm. Die wässrige Bindemitteldispersion wurde über den zweiten Einlass zugeführt, wobei der zweite Einlass im Boden des Gehäuses angeordnet war. Der zweite Einlass bestand aus einer Bohrung von 6 mm Durchmesser. Das Polyisocyanat wurde über den ersten Einlass zugeführt, wobei der erste Einlass aus einem Schlitz von 7 mm Länge, 0,1 mm Breite und 1 mm Tiefe bestand. Das homogenisierte Gemisch wurde über einen dem ersten Einlass gegenüberliegenden Auslass in Form eines Schlitzes von 10,5 mm Länge, 0,2 mm Breite und 1 mm Tiefe abgeführt. Die Schlitze von erstem Einlass und Auslass waren so angeordnet, dass die Mitte des Einlassschlitzes und die Mitte des Auslassschlitzes an gleicher Position entlang der Längsachse des Gehäuses lagen. Der Gesamtdurchsatz betrug 42 l/h.
Die so hergestellten wässrigen Zweikomponenten-Polyurethandispersionen wurden den unter Beispiel 1 beschriebenen Tests A und B unterworfen.
In Tabelle 1 sind die Versuchsparameter und Ergebnisse des Ausführungsbeispiels und der Vergleichsbeispiele zusammengefasst. In Zeile 1 ist der Druckabfall über den Strahldispergator wiedergegeben, der als Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass des Strahldispergators definiert ist. Unter dem Druck des Polyisocyanats bzw. der Bindemitteldispersion in Zeile 2 bzw. 3 ist die Druckdifferenz zwischen Einlass der jeweiligen Komponente und Auslass des homogenisierten Gemisches der beiden Komponenten zu verstehen.
Tabelle 1
Beispiel 4 (Vergleichsbeispiel)
Für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele sowie Vergleichsbeispiele wurde als Modellemulsion eine Emulsion aus einer Ölkomponente mit den Bestandteilen 1–3 und einer wässrigen Komponente mit dem Bestandteil 4 entsprechend nachfolgender Rezeptur gewählt:
Aus der Ölkomponente und der wässrigen Komponente wurde mit einer Mischeinrichtung auf Basis eines Rotor-Stator-Systems eine Öl-in-Wasser-Voremulsion hergestellt. Zur Herstellung der fertigen Emulsion wurde diese Voremulsion durch einen aus DE 19510651 A bekannten Strahldispergator mit unterschiedlichen Drücken (= Differenzdruck über den Strahldispergator) gedrückt. Der Strahldispergator hatte dabei eine Düsenbohrung von 0,65 mm Durchmesser.
Die so hergestellten Emulsionen wurden zur Beurteilung ihrer Qualität mit einem Laserbeugungsgerät (Fa. Malvern) auf ihre Teilchengröße hin untersucht. Als Kriterium wurde der 50 Medianwert der Anzahlverteilung (d₅₀) herangezogen. Dabei ist die Emulsionsqualität umso höher, je geringer die Teilchengröße (d₅₀) ist.
Beispiel 5 (Ausführungsbeispiel)
Rezeptur gemäß Beispiel 4.
Die Ölkomponente und die wässrige Komponente wurde einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Homogenisierdüse mit einem zylinderförmigen Gehäuse zugeführt. Der Kolben hatte einen Durchmesser von 3 mm. Die wässrige Komponente wurde über den zweiten Einlass im Boden des Gehäuses zugeführt wird. Der zweite Einlass bestand aus einer Bohrung von 3 nun Durchmesser. Die Zuführung der Ölkomponente erfolgte über den ersten Einlass mit einem Schlitz von 7 mm Länge, 0,07 mm Breite und 1 mm Tiefe. Das homogenisierte Gemisch wurde über einen dem ersten Einlassschlitz gegenüberliegenden Auslassschlitz von 10,5 mm Länge, 0,1 mm Breite und 1 mm Tiefe abgeführt. Die Schlitze waren so angeordnet, dass die Mitte des Einlassschlitzes und die Mitte des Auslassschlitzes an gleicher Position entlang der Längsachse des Gehäuses angeordnet waren. Die so hergestellten wässrigen Öl-in-Wasser-Emulsionen wurden der unter Beispiel 4 beschriebenen Teilchengrößenanalyse unterworfen.
In Tabelle 2 sind die Versuchsparameter und Ergebnisse der Ausführungsbeispiele und Vergleichsbeispiele zusammengefasst.
Tabelle 2

Claims

Homogenisierdüse umfassend ein Gehäuse (10), einen entlang der Längsachse des Gehäuses (10) verschiebbar angeordneten Kolben (11), einen ersten Einlass (14, 24) für eine erste Komponente, einen zweiten Einlass (15) für eine zweite Komponente sowie einen Auslass (16, 26) für ein homogenisiertes Gemisch aus der ersten und zweiten Komponente, wobei der erste Einlass (14, 24) und der Auslass (16, 26) entlang der Längsachse des Gehäuses (10) derart angeordnet sind, dass durch Verschieben des Kolbens (11) der freie Querschnitt des ersten Einlasses (14, 24) und der freie Querschnitt des Auslasses (16, 26) variierbar sind.
Homogenisierdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des ersten Einlasses (14, 24) 8·10^–11 bis 8·10^–3 m² beträgt.
Homogenisierdüse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Auslasses (16, 26) 8·10^–11 bis 8·10^–3 m² beträgt.
Homogenisierdüse nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlass (14, 24) und/oder der Auslass (16, 26) aus einer Vielzahl von entlang der Längsachse angeordneten Bohrungen (27) besteht.
Homogenisierdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Bohrungen (27) des ersten Einlasses (14, 24) und/oder des Auslasses (16, 26) jeweils 1 bis 10000 beträgt.
Homogenisierdüse nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Bohrungen (27) des ersten Einlasses (14, 24) und/oder des Auslasses (16, 26) 10 bis 1000 μm beträgt.
Homogenisierdüse nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlass (14, 24) und/oder der Auslass (16, 26) aus wenigstens einem entlang der Längsachse angeordneten Schlitz (17) besteht.
Homogenisierdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (17) eine Schlitzlänge von 1 bis 50 mm aufweist
Homogenisierdüse nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (17) eine Schlitzbreite von 10 bis 1500 μm aufweist.
Homogenisierdüse nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des ersten Einlasses (14, 24) und/oder des Auslasses (16, 26) das 0,5-fache bis 20-fache der Breite, bevorzugt das 1-fache bis 10-fache, besonders bevorzugt das 1,5-fache bis 5-fache, der Breite beträgt.
Homogenisierdüse nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einlass (15) eine Öffnung mit einem Durchmesser von 0,5 bis 10 mm, besonders bevorzugt von 3 bis 6 mm, ist.
Verfahren zur Herstellung eines Zweikomponenten-Lackgemisches durch Vermischen zweier Lackkomponenten unter Verwendung einer Homogenisierdüse gemäß einem der Ansprüche 1–11.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweikomponenten-Lackgemisch eine wässrige Zweikomponenten-Polyurethan-Lackemulsion auf Basis wenigstens einer Isocyanat-reaktive Gruppen aufweisenden, wässrigen Bindemitteldispersion und eines Polyisocyanats ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyisocyanat über den ersten Einlass (14, 24) und die Bindemitteldispersion über den zweiten Einlass (15) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenströme der Bindemitteldispersion und des Polyisocyanats jeweils 1 bis 100 l/h, bevorzugt von 3 bis 60 l/h, betragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–15, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck 0,1 bis 100 bar, bevorzugt 0,1 bis 50 bar, besonders bevorzugt 1 bis 25 bar, beträgt.
Substrat, beschichtet mit einer Lackschicht auf Basis wenigstens einer wässrigen Zweikomponenten-Polyurethan-Lackemulsion hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 13–16.