DE19602581A1 - Verfahren und Mischer zum Herstellen von Papier-Streichffarbe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Papier-Streich­ farbe, einen Mischer zur Durchführung dieses Verfahrens und die Verwen­ dung eines solchen Mischers zur Durchführung des Verfahrens.

Papier-Streichfarben bestehen aus Pigmentmasse und Binder und gegebe­ nenfalls weiteren Bestandteilen. Als Pigmentmasse wird Pigment, beispiels­ weise Kaolin, in wäßriger Suspension eingesetzt. Als Binder werden be­ vorzugt Stärke, und zwar abgebaute oder nicht abgebaute Stärke, aber auch Carboxymethylcellulose oder Polyvinylalkohol eingesetzt. Die Her­ stellung erfolgt beim Stand der Technik in sogenannten Dissolvern, die durch Behälter gebildet werden, in die senkrecht von oben ein Rührwerk hineinragt. Die Bestandteile, also die Pigmentmasse und der Binder und gegebenenfalls Wasser werden eingegeben und sehr zeitaufwendig gerührt. Ein solcher Dispergier- und Homogenisierprozeß dauert in der Regel meh­ rere Stunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstelldauer der Streich­ farbe bei gleichzeitiger Erhöhung der Dispergierfeinheit abzusenken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkma­ len des Anspruches 1 gelöst, das in einem Mischer mit den Merkmalen des Anspruches 10 durchgeführt werden kann. Wesentlich für die Erfindung ist, daß unter intensivem Rühren der gesamten Pigmentmasse jeweils klei­ ne Mengen Pigmentmasse mit entsprechend kleinen Mengen Binder unmittel­ bar vor einem intensiven Scherprozeß zusammengebracht werden, so daß sich keine Agglomerate bilden, sondern unmittelbar ein intensiver Disper­ gierprozeß mit hoher Dispergierfeinheit stattfindet. Durch das intensive Rühren der Gesamtmasse erfolgt unmittelbar nach diesem Dispergierprozeß ein Homogenisieren der gesamten Masse.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus den Unteransprüche.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch einen Mischer,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Mischer entsprechend der Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch Fig. 1 entsprechend der Schnittlinie III-III und

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Reib-Mühle entsprechend dem Sichtpfeil IV in Fig. 3.

Der in der Zeichnung dargestellte, weitgehend konventionelle Mischer, weist einen horizontalen, stationären, zylindrischen Behälter 1 auf, der von gleichzeitig als Ständer wirkenden Seitenwänden 2, 3 stirnseitig ab­ geschlossen und gleichzeitig gehalten wird. An den Seitenwänden 2, 3 sind Lagerböcke 4 befestigt, in denen eine konzentrisch zum Behälter 1 angeordnete Welle 5 eines Mischwerks 6 gelagert ist. Sie wird von einem Antriebsmotor 7 über einen Keilriementrieb 8 und ein Getriebe 9 ange­ trieben. Das Mischwerk 6 weist schaufelartig ausgebildete Mischwerkzeuge 10 auf, die mittels an der Welle 5 angebrachter und radial von dieser abstehender Mischwerkzeug-Träger 11 gehalten werden. Die Mischwerkzeuge 10 selber befinden sich in der Nähe der Innenseite der Wand 12 des Be­ hälters 1.

Auf der Oberseite des Behälters 1 ist ein Materialeinlaß 13 angeordnet; an der Unterseite ist ein Materialauslaß 14 vorgesehen. Der Mischer wird chargenweise als sogenannter Turbulent-Mischer betrieben, d. h. es han­ delt sich um einen Wurfmischer, bei dem - bei Einsatz von trockenem schüttfähigem Mischgut - die einzelnen Mischgutpartikel hochgeworfen wer­ den und auf einer parabelförmigen Wurfbahn wieder in ein Mischgutbett gelangen. Um diesen Effekt zu erreichen, werden die Mischwerkzeuge 10 mit überkritischer Umfangsgeschwindigkeit angetrieben, die - ausgedrückt in der dimensionslosen Froude-Kennzahl - etwa Fr = 2-6 beträgt. Die Froude-Kennzahl ist definiert

Fr = W² : R × g

wobei gilt
W = Umfangsgeschwindigkeit der radial äußeren Enden der Mischwerkzeuge 10 in m/s
R = Radius des Mischwerks 6 in m
g = Erdbeschleunigung in m/s².

In die Wand 12 des Behälters 1 ist mindestens eine Dispergiervorrichtung, beispielsweise eine sogenannte Reib-Mühle 15 eingebaut, die nachfolgend im einzelnen beschrieben wird. Auf der Außenseite der Wand 12 des Be­ hälters 1, und zwar im Bereich unterhalb der Welle 5 (siehe Fig. 2) ist ein Flanschlager 16 angebracht, an dem ein Motor 17 angeflanscht ist. Eine Kupplung 18 verbindet die Abtriebswelle des Motors 17 mit einer An­ triebswelle 19 der Reib-Mühle 15. Diese Antriebswelle 19 durchsetzt die Wand 12. Das Flanschlager 16 des Motors 17 stützt sich über Lagerstützen 20 und einen Flanschring 21 auf einer Mühlen-Grundplatte 22 ab. An die­ ser Mühlen-Grundplatte 22 ist die gesamte Reib-Mühle 15 befestigt. Die Mühlen-Grundplatte 22 wird in und vor einer Öffnung 23 der Wand 12 be­ festigt.

Die im wesentlichen aus der EP 0 645 179 A bekannte Reib-Mühle 15 weist auf ihrer dem Motor 17 abgewandten Seite der Grundplatte 22 einen Stator 24 und einen Rotor 25 auf. Der Stator 24 besteht im wesentlichen aus einem Stator-Ring 26, der eine zylindrische Außenfläche 27 und eine ke­ gelstumpfförmige innere Reibfläche 28 aufweist. Die der Grundplatte 22 zugewandte Seite des Rings 26 bildet eine Mischgut-Eintrittsseite 24a und die der Grundplatte 22 abgewandte Seite bildet eine Mischgut-Austrittsseite 24 b. Die innere Reibfläche 28 verjüngt sich von der Eintrittsseite 24a zur Austrittsseite 24b der Reib-Mühle 15 hin unter einem halben Kegelöff­ nungswinkel α von 20° bis 45° und bevorzugt 30°. Der Stator-Ring 26 ist über zwei Stützstäbe 29 gegenüber der Grundplatte 22 abgestützt, die in einer Radialebene zur Welle 5 angeordnet sind, so daß sie kein effektives Hindernis für Mischwerkzeuge 10 darstellen, wie insbesondere aus Fig. 1 hervorgeht. Sie befinden sich also auch in einer gemeinsamen Ebene mit der Achse 30 der Antriebswelle 19.

Innerhalb der inneren Reibfläche 28 ist der Stator-Ring 26 in Richtung der Achse 30, die auch die Achse der inneren Reibfläche 28 ist, völlig offen. Lediglich zwei Ansätze 29a für die Stützstäbe ragen geringfügig in den offenen Querschnitt.

Der Rotor 25 ist propellerartig ausgebildet. Er weist eine mit der An­ triebswelle 19 mittels einer Paßfeder 31 drehfest verbundene hülsenförmige Nabe 32 auf, an der sich etwa radial nach außen erstreckende Flügel 33 mit einem Radius c und einer axialen Erstreckung d angebracht sind. Diese Flügel 33 haben den Querschnitt eines langgestreckten Rechtecks und sind radial zur Achse 30 angeordnet. Sie sind weiterhin - wie insbeson­ dere aus Fig. 4 hervorgeht - gegenüber der Achse 30 derart geneigt bzw. angestellt, daß - bezogen auf die Drehrichtung 34 des Rotors 25 - die der Grundplatte 22 benachbarte untere Kante 35 jedes Flügels 33 voreilt und die der Grundplatte 22 abgewandte obere Kante 36 nacheilt. Dadurch üben die Flügel 33 auf Mischgut einen in Richtung der Achse 30 von der Grundplatte 22 weg zum freien Ende der Reib-Mühle 15 hin gerichteten Förderimpuls aus, dem ein radial zur Achse 30 zur Reibfläche 28 hin ge­ richteter Förderimpuls überlagert wird.

Die Flügel 33 sind an ihren radial äußeren Enden mit Scherkanten 37 versehen, die parallel zur inneren Reibfläche 28 des Stator-Ringes 26 verlaufen und die schmale Scherspalte 38 gegenüber der inneren Reibflä­ che 28 begrenzen, deren Weite b also über die Länge der Scherspalte 38 konstant ist. Für die Weite b gilt üblicherweise 0,5 mm b 3,0 mm.

Auf der Antriebswelle 19 ist in dem Bereich, in dem sie die Grundplatte 22 durchsetzt, eine Dicht-Hülse 39 angebracht, gegen die Dichtungen 40, 41 dichtend anliegen, die sich wiederum in einer Durchtritts-Bohrung 42 in der Grundplatte 22 abstützen. Zwischen den Dichtungen 40 und 41 ist eine Fettkammer 43 ausgebildet, in die durch einen Schmierfett-Anschluß 44 Schmierfett zur Schmierung der Dichtungen 40, 41 eingeführt werden kann.

Gegen die Dicht-Hülse 39 liegt eine Distanz-Hülse 45 an, die sich auf ihrer anderen Seite gegen die Nabe 32 des Rotors 25 abstützt, wobei zwi­ schen der Nabe 32 und der Distanz-Hülse 45 Distanz-Scheiben 46 angeord­ net sind. Durch Hinzufügen oder Wegnehmen einer Distanz-Scheibe 46 wird die Lage des Rotors 25 in Richtung der Achse 30 verändert, wodurch die Weite b der Scherspalte 38 verändert bzw. eingestellt wird. Gegen die Nabe 32 liegt vom freien Ende des Rotors 25 her eine topfförmige Befesti­ gungs-Hülse 47 an, die mittels einer Hut-Mutter 48 mit einem Gewinde­ zapfen 49 der Antriebswelle 19 verbunden ist und die Nabe 32 mit den Flügeln 33 in Richtung der Achse 30 zur Grundplatte 22 fest gegen die Distanz-Hülse 45 mit den Distanz-Scheiben 46 verspannt.

Der Reib-Mühle 15 ist eine Feststoff-Zuführeinrichtung 50 zugeordnet, die einen rohrförmigen Grundkörper 51 aufweist, der in eine parallel zur Achse 30 verlaufende Durchgangs-Bohrung 52 in der Grundplatte 22 einge­ setzt ist. Der rohrförmige Grundkörper 51 ist an eine nur schematisch angedeutete Pumpe 53 zur Zuführung von schüttfähigem bzw. pumpfähigem Feststoff angeschlossen. Auf der dem Rotor 25 zugewandten Seite des Grundkörpers 51 mündet aus diesem eine Austritts-Öffnung 54 aus. Der Abstand e Austritts-Öffnung 54 von der benachbarten Kante 35 der Flügel 33 ist sehr klein, und zwar so klein, wie es konstruktiv möglich ist. Der Abstand e liegt also im Bereich zwischen 0,5 und 3,0 mm. Der mittlere Abstand f der Austritts-Öffnung 54 von der Achse 30, d. h. der Abstand der Achse 55 des Grundkörpers 51 von der Achse 30 der Antriebswelle 19 beträgt mehr als die Hälfte des maximalen Radius c des Rotors 25, wobei grundsätzlich die Austritts-Öffnung 54 bezogen auf die Achse 30 radial möglichst weit außen, also nahe an der inneren Reibfläche 28 und damit den Scherspalten 38 angeordnet sein soll. Da der Grundkörper 51 in einer gemeinsamen Ebene mit den Stützstäben 29, den Ansätzen 29a und der An­ triebswelle 19 angeordnet ist, ist aus konstruktiven Gründen ein gewisser Abstand zu den Scherspalten 38 unvermeidbar.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, ragt in den Innenraum 56 des Behälters 1, und zwar in den unteren Bereich des Innenraums 56 unterhalb der Welle 5 eine Dampf-Lanze 57 hinein.

Der geschilderte Mischer wird eingesetzt, um Streichfarben hoher Konzen­ tration herzustellen. Derartige Streichfarben werden zum Aufstreichen auf Papier, also zum Beschichten von Papier verwendet, wodurch Papiere ver­ edelt werden. Sie erhalten eine glattere Oberfläche. Alle für einen hoch­ wertigen Druck geeigneten und vorgesehenen Papiere sind sogenannte ge­ strichene Papiere.

Die Basis solcher Streichfarben sind Pigmente, beispielsweise Kaolin, und Binder. Als Binder wird bevorzugt Stärke eingesetzt, und zwar bereits abgebaute oder nicht abgebaute Stärke. Alternativ zur Stärke können ein­ gesetzt werden CMC (Carboxymethylcellulose) oder PVAL (Polyvinyl­ alkohol).

Die Pigmentmasse wird in Form einer pumpfähigen Pigment-Wasser-Suspen­ sion, die die Konsistenz einer Paste haben kann, durch den Materialein­ laß 13 in den Behälter 1 eingegeben. Anschließend wird das Mischwerk 6 in Betrieb gesetzt und mit geringer Drehzahl, d. h. im Bereich von Fr = 2 betrieben. In den Fig. 1 und 2 ist mit der Linie 58 der Füllgrad des Be­ hälters 1 angedeutet. Während dieses relativ langsamen Umlaufes des Mischwerks 6 wird noch keine Dispergierarbeit geleistet, sondern lediglich die Pigmentmasse umgewälzt. Über eine Flüssigkeitszugabeeinrichtung 59 wird gegebenenfalls Flüssigkeit, und zwar insbesondere Wasser, in den Innenraum 56 des Behälters eingegeben, um einem übermäßigen Anstieg der Viskosität der Pigmentmasse gegenzusteuern.

Anschließend wird die als Dispergier-Vorrichtung dienende Reib-Mühle 15 in Betrieb gesetzt. Durch die Mischwerkzeuge 10 des Mischwerks 6 wird die Pigmentmasse im Behälter 1 umgewälzt und gemischt und auch parallel zur Achse 60 der Welle 5 verschoben. Die Pigmentmasse wird hierbei in den Raum 61 zwischen der Grundplatte 22 und dem Rotor 25 gebracht und dem Rotor 25 hierbei zugeführt, der hochtourig angetrieben wird. Die Pig­ mentmasse wird hierbei von den Flügeln 33 erfaßt und einerseits in Rich­ tung der sich verjüngenden inneren Reibflächen 28 gefördert und gleich­ zeitig radial zur Achse 30 nach außen geschleudert und den Scherspalten 38 zugeführt. Dadurch daß einerseits die innere Reibfläche 28 radial zur Achse 30 nach außen zumindest weitestgehend geschlossen ist und da­ durch, daß die innere Reibfläche 28 sich in der axialen Förderrichtung 62 der Flügel 33 verjüngt, wird die Pigmentmasse im Stator 24 gestaut und nicht lediglich in Richtung 62 durch die Reib-Mühle 15 hindurchge­ schleudert. Gleichzeitig wird durch die Feststoff-Zuführeinrichtung 50 der Binder, also Stärke oder CMC oder PVAL, in Pulverform zugeführt. Er wird damit gleichzeitig mit der Pigmentmasse radial nach außen gefördert und einer intensiven Reib-Scher-Beanspruchung in den Scherspalten 38 un­ terzogen. Es erfolgt somit eine intensive Dispergierung der Stärke, des CMC oder PVAL in der Pigmentmasse, ohne daß es überhaupt erst zu Agglomeratbildungen kommen könnte. Während dieses Vorgangs wird das Mischwerk 6 mit hoher Drehzahl, beispielsweise im Bereich von Fr = 6 angetrieben, und zwar über eine Zeitdauer von 4 bis 5 Minuten. Inner­ halb dieser Zeit tritt eine völlige Homogenisierung der Pigmentmasse und des Binders, also der Stärke bzw. CMC bzw. PVAL, ein.

Im Anschluß daran wird der Prozeß durch Kochen der Stärke bei etwa 96°C fortgeführt. Das Kochen der Stärke dient ihrer Verkleisterung. Wenn CMC oder PVAL eingesetzt werden, dann dient das Kochen zum Beschleuni­ gen des Lösens der CMC oder des PVAL in der Pigmentmasse. In diesem Fall kommt es auf die Temperatur von 96°C nicht in dieser Exaktheit an. Die Wärmezufuhr zum Kochen erfolgt durch Einblasen von Satt-Dampf von 3 bis 5 bar durch die Dampf-Lanze 57 in die Pigmentmasse samt Binder.

Am Ende des Kochvorgangs wird über die Flüssigkeits-Zugabeeinrichtung 59 bei immer noch maximaler Drehzahl des Mischwerks 6 im Bereich von FR = 6 das noch in Reserve gehaltene Wasser eingetragen, wodurch der endgültige Feststoffanteil von etwa 60 Gew.% eingestellt wird. Dadurch wird die Temperatur der Streichfarbe abgesenkt. Anschließend werden zur endgültigen Herstellung der Formulation noch zusätzliche Bestandteile der Streichfarbe eingetragen, die temperatur- und/oder scherempfindlich sind, wie beispielsweise Latices. Hierbei kann die Präparation bei niedriger Drehzahl des Mischwerkes 6 und bei stillgesetzter Dispergiervorrichtung 15 weitergeführt werden, ohne daß die erwähnten empfindlichen Bestandteile in irgendeiner Form geschädigt werden. Die fertig formulierte Streichfarbe wird durch den Materialauslaß 14 bei laufendem Mischwerk 6 ausgetragen.

Insbesondere bei Einsatz von CMC oder PVAL können diese Binder durch die Feststoff-Zuführeinrichtung 50 nicht mittels der Pumpe 53, sondern über ein Teilvakuum im Innenraum 56 des Behälters 1 zugeführt werden, das über einen Vakuumanschluß 63 am Behälter erzeugbar ist.

Die Pigmentmasse kann bei Bedarf auch bereits in einer Vorstufe im Mi­ scher hergestellt werden, in dem das Pigment, beispielsweise also Kaolin, in den Behälter eingegeben und dann über die Flüssigkeits-Zugabeeinrich­ tung 59 unter gleichzeitigem Umlauf des Mischwerks 6 Wasser zugegeben wird. Der beschriebene Prozeß würde sich dann dieser Vorstufe an­ schließen.

Claims (15)

1. Verfahren zum Herstellen von Papier-Streichfarbe mit folgenden Arbeits­ schritten:

• - eine aus einer Pigment-Wasser-Suspension bestehende Pigmentmasse wird langsam gerührt:
• - schüttfähiger Binder wird in die Pigmentmasse unter gleichzeitiger in­ tensiver Scherung einer - bezogen auf die gesamte Pigmentmasse - klei­ nen Menge Pigmentmasse und einer - bezogen auf die Gesamtmenge an zuzusetzendem Binder - kleinen Menge Binder angenähert kontinuierlich eingetragen, wobei gleichzeitig die gesamte Pigmentmasse samt zuneh­ mendem Anteil an Binder durch intensives Rühren homogenisiert wird;
• - das Gemisch aus Pigmentmasse und Binder wird gekocht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Binder Stärke, und zwar abge­ baute oder nicht abgebaute Stärke, Carboxymethylcellulose oder Polyvinyl­ alkohol eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei Einsatz von Stärke als Binder das Kochen bei einer Temperatur von etwa 96°C erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das intensive Rüh­ ren zur Homogenisierung über 4 bis 5 Minuten durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Pigmentmasse vor dem Eintrag des Binders durch Zugabe und Einrühren von Wasser auf eine gewünschte Viskosität eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei nach dem Kochen das Gemisch aus Pigmentmasse und Binder gekühlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Kühlen durch Zugabe von Was­ ser durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei nach dem Kühlen temperatur- und/oder scherempfindliche Bestandteile unter langsamem Rühren der Pig­ mentmasse eingetragen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Kochen durch Dampfzufuhr in das Gemisch aus Pigmentmasse und Binder unter gleichzei­ tigem Rühren erfolgt.

10. Mischer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit folgenden Merkmalen:

• - ein zylindrischer Behälter (1) mit einer einen Innenraum (56) begren­ zenden Wand (12);
• - ein in dem Behälter (1) drehantreibbar angeordnetes Mischwerk (6)
• - mit einer Welle (5) und
• - mit in der Nähe der Wand (12) befindlichen, mit der Welle (5) ver­ bundenen Mischwerkzeugen (10);
• - mindestens eine Dispergier-Vorrichtung (Reib-Mühle 15)
• - mit einem außerhalb des Innenraums (56) angeordneten Motor (17),
• - mit einem im Innenraum (56) befindlichen, mit dem Motor (17) dreh­ antreibbar verbundenen Rotor (25),
• - mit einem den Rotor (25) mindestens teilweise umgebenden Stator (24),
• - mit zwischen Rotor (25) und Stator (24) gebildeten Scherspalten (38),
• - mit einer Mischgut-Eintrittsseite (24a) und
• - mit einer Mischgut-Austrittsseite (24b);
• - eine Feststoff-Zuführeinrichtung (50),
• - die eine der Mischgut-Eintrittsseite (24a) unmittelbar vorgeordnete Austrittsöffnung (54) aufweist und
• - eine in den Innenraum (56) mündende Dampf-Lanze (57).

11. Mischer nach Anspruch 10, wobei eine Flüssigkeits-Zugabeeinrichtung (59) in den Innenraum (56) einmündet.

12. Mischer nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Feststoff-Zugabeeinrich­ tung (50) eine Pumpe (53) für pumpfähige Feststoffe vorgeordnet ist.

13. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei in den Innenraum (56) ein Vakuumanschluß (63) einmündet.

14. Mischer nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die mindestens eine Dispergiervorrichtung als Reib-Mühle (15) ausgebildet ist.

15. Verwendung eines Mischers nach einem der Ansprüche 10 bis 14 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.