DE1963517A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herabsetzung der Viskositaet Nicht-Newton'scher Fluessigkeiten durch Ultraschallbehandlung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herabsetzung der Viskositaet Nicht-Newton'scher Fluessigkeiten durch UltraschallbehandlungInfo
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Description
IBM Deutschland
Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH
1983517
Böblingen, 17. Dezember 1969
kd-hn
Anmelderin:
International Business Machines Corporation, Armonk, N, Y. 10 504
Amtliches Aktenzeichen:
Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: Docket BO 9-68-003
Verfahren und Vorrichtung zur Herabsetzung der Viskosität Nicht-Newtonseher Flüssigkeiten durch Ultraschallbehandlung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erniedrigung der scheinbaren Viskosität
Nicht-Newtons eher Flüssigkeiten.
Es ist bekannt, Flüssigkeitsgemische oder Emulsionen oder Aufschlämmungen
mit Ultraschall zu behandeln. Bei diesen bekannten Verfahren wird beispielsweise
die entgasende, die emulgierende oder die disper gier ende Wirkung von Ultraschall ausgenützt.
In dem er findung s gemäßen Verfahren wird die scheinbare Viskosität NichtNewtons
eher Flüssigkeiten unmittelbar vor ihrer Verwendung zur Herstellung
von Überzügen durch eine Ultraschallbehandlung bei einer gegebenen Temperatur herabgesetzt, ohne daß bei dieser Behandlung andere Eigenschaften der
Flüssigkeiten nachteilig beeinflußt werden. Da die scheinbare Viskosität erst
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nach einiger Zeit wieder ansteigt, ist &s möglich, mit den behandelten Materialien
dünne und besonders gleichmäßige Überzüge herzustellen,, Es ist
nicht mehr erforderlich, zur Herabsetzung der Viskosität Lösungsmittel oder andere Additive der viskosen Flüssigkeit zuzusetzen.
Da bei der Ultraschallbehandlung gleichzeitig eine intensive Vermischung
der Bestandteile stattfindet, können aufwendige Mischvorrichtungen wie Kneter, Walzenstühle oder Kugelmühlen in Wegfall kommen. Besonders
vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahrens wenn die zu behandelnde
Flüssigkeit während der Beschallung kontinuierlich durch die Behandlungskammer geleitet wird.
Die bei der Herstellung magnetisierbar en Aufzeichnungsmaterials verwendeten
magnetisierbar en Farben bestehen aus einem Bindemittel oder einer Kombination verschiedener Bindemittel, in dem magnetisierbare Teilchen
suspendiert sind. Üblicherweise werden als Bindemittel Polyurethane, Polyvinylchlorid-Polyvinylacetat-Copolymere
oder Polybutylacrylat verwendet.
Die genannten Polymeren sind Nicht-Newtons ehe Substanzen.
Newtonsche Flüssigkeiten sind dadurch ausgezeichnet, daß die Viskosität
eine Stoffkonstante ist, dies trifft für Nicht-Newtons ehe Flüssigkeiten
nicht zu. In Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten treten im Gegensatz zu Newtonschen
Flüssigkeiten bei Beanspruchung durch Scherung reversible oder irreversible Struktur änderung en auf« Nicht-Newtons ehe Flüssigkeiten sind
Flüssigkeiten mit Bingham-Viskosität, pseudoplastische, dilatante, thixotrope und rheopexe Flüssigkeiten. Flüssigkeiten mit Bingham-Viskosität
sind gekennzeichnet durch eire lineare Fließkurve und eine Fließgrenze.
Bis zu dieser Fließgrenze ist die Flüssigkeit aufgrund ihrer Struktur
vollkommen resistant gegen jede mechanische Beanspruchung. Pseudoplastisches
Verhalten liegt vor, wenn eier Fließwider stand mit zunehmender
ScherbeanspruchiiHg abnimmt und dilatantes Verhalten, wenn der Fließ-
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widerstand bei zunehmender Scher beanspruchung zunimmt. Bei den beiden
letztgenannten Typen sind bei den reversiblen Strukturänderungen keine meßbaren Zeiteffekte vorhanden. Treten hingegen meßbare Zeiteffekte auf,
so spricht man, wenn bei konstanter scherender Beanspruchung der Fließwiderstand
abnimmt, von thixotropem Verhalten und wenn er zunimmt von
rheopexem Verhalten«
Synthetisches und natürliches Vaselin sind Beispiele für Bingham-Plaste.
Acrylnitril-Butadien-Copolymere zeigen pseudoplastisches Fließverhalten,
Substanzen mit Wasserstoffbrückenbindungen und hochverzweigte Polymere
zeigen thixotropes oder rheopexes Fließverhalten.
Zweck des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die scheinbare Viskosität
solcher Substanzen vorübergehend zu erniedrigen, ehe dieselben als Bestandteile magnetisierbarer Farben zur Beschichtung von Unterlagen
•erwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die zu
behandelnde Flüssigkeit zur Herabsetzung der Viskosität mit Ultraschallwellen behandelt wird.
Nachfolgend sollen die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und Ausführungsbeispiele beschrieben werden.
Fig. 1: zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens zur
Beschichtung einer Matrix oder eines Vlieses mit einer mit Ultraschallwellen behandelten Flüssigkeit,
Fig. 2: zeigt eine Vorrichtung zur Behandlung der Flüssigkeit mit
Ultraschall zur Herabsetzung der Viskosität um einen bestimmten Betrag,
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Fig. 3: zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung, in der die Be-
handlungskammer zur Herabsetzung der Viskosität der Flüssigkeit Bestandteil der Sprühvorrichtung ist.
Anhand von Fig. 1 wird eine Vorrichtung zum Auftragen einer Nicht-Newtonschen
Flüssigkeit auf eine Unterlage, vorzugsweise zum Auftragen einer magnetisierbaren Farbe auf eine Matrix oder ein Vlies bei der Herstellung
magnetisierbaren Aufzeichnungsmaterials beschrieben. Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Farbe besteht aus fein verteilten
magnetisierbaren Teilchen, wie Eisenoxid, die in einem als Gleitmittel wirkenden Bindemittel suspendiert sind, das wenigstens teilweise aus
einer Kombination dilatanter und pseudoplastischer flüssiger Bestandteile, wie Acrylnitril-Butadien-Harze bzw. einem Vinylchlorid-Vinylacetat-Copolymeren
besteht.
Wie in Fig. 1 angegeben, wird das flüssige Material aus einem Vorratsbehälter
12 mittels einer Pumpe 13 durch eine Leitung 14 in die Behandlungskammer 16 zur Erniedrigung der Viskosität transportiert. Die Flüssigkeit
wird auf ihrem Weg durch die Kammer 16 mit Ultraschallwellen behandelt, die durch einen Schallgeber 17 erzeugt werden, der über die
Leitung 19 mit einem Ultraschallgenerator 18 in Verbindung ist. Die Viskosität der Farbe wird bei der Beschallung über einen bestimmten Zeitraum
herabgesetzt. Danach wird die Farbe durch die Leitung 20 zur Sprühvorrichtung 21 transportiert. Diese ist mit einem Längsschlitz versehen,
durch den die Flüssigkeit unter Druck auf die Oberfläche einer Auftragwalze 22 gespritzt wird. Eine Andruckwalze 24 bildet mit der Auftragwalze
22 ein Walzenpaar. Ein Vlies oder Substratmaterial W wird zwischen den Walzen 22 und 24 hindurchgeführt und dabei gleichmäßig mit
der Farbe beschichtet. Das beschichtete Material wird in bekannter Weise weiterbehandelt und getrocknet.
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maximal zu erreichende Erniedrigung der Viskosität hängt weitgehend
von der Ausgangsleistung des Ultraschallgenerators wie auch vom Frequenzbereich der Ultraschallschwingungen, die durch den Schallgeber ab
gestrahlt werden, ab. Auch Faktoren, wie die Abmessungen der Behand
lungskammer und die Zeitdauer der Beschallung zusammen mit den Eigenschaften
des verwendeten Materials fallen ins Gewicht. In einem kontinuierlichen Verfahren werden die Abmessungen der Behandlungskammer vorteilhaft
dem Schallgeber so angepaßt, daß kleine Mengen des zu behandelnden Materials, das mit konstanter Geschwindigkeit gefördert wird, kurzzeitig,
üblicherweise einige Sekunden lang, beschallt werden können, um " die größtmögliche Erniedrigung der Viskosität unmittelbar vor der Beschichtung
zu erhalten. Beim Durchgang von Ultraschallwellen durch das Material wird die Viskosität sofort erniedrigt und in dem zur Anwendung
kommenden kontinuierlichen Verfahren findet keine Zunahme der Viskosität statt, wenn das Material sofort nach der Behandlung der Sprühvorrichtung
zugeführt wird. Liegt ein Zeitintervall von einigen Stunden zwischen Ultraschallbehandlung und Versprühen, dann nimmt die Viskosität des behandelten
Materials allmählich zu, um schließlich die ursprünglich vorhandene Viskosität wieder zu erreichen.
In Fig. 2 ist die Vorrichtung gezeigt, die vorzugsweise angewendet wird '
zur Behandlung der Nicht-Newtonschen Flüssigkeiten in einem kontinuierlichen
Verfahren, Die Behandlungskammer 16 besteht aus einem dünnwandigen Rohr 28 mit seitlich angebrachten Eintritts- und Austritts stutzen 30
und 31. Eintritts- und Austritts stutzen 30 und 31 befinden sich einander diametral gegenüberliegend an den entgegengesetzten Enden des Rohres
28. Schallgeber 32 und 33 sind an den Enden des Rohres mittels Flansch—verbindungen
befestigt. Die beiden Flansche 34, 35 sind durch Schrauben 36 miteinander fest verbunden. Eine ringförmige Dichtung 38
befindet sich zwischen dem Rohrende und dem Schallgeber. Als Ultraschallgeber werden piezoelektrische oder magneto striktive Ultra schalige-
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ber verwendet. Beide Typen werden beispielsweise beim Ultraschallschwei
ßen oder in der Werkstoffprüfung eingesetzt. Ein hochfrequentes elektri sches oder magnetisches Feld dient als Energiequelle. Zur Erzeugung die
ses Feldes kann beispielsweise ein Wechselstromgenerator, eine Vakuumelektronenröhre
oder ein Transistoroszillator verwendet werden.
Bei einer anderen Ausführungsform wird die Vorrichtung, die in Fig. 3
dargestellt ist, verwendet. Die Behandlungskammer 40, die aus einem dünnwandigen Rohr 42 besteht, dient gleichzeitig als Verteilervorrichtung.
Das behandelte Material wird unter Druck durch den Spalt 43, der sich seitlich längs des Rohren 42 befindet, ausgespritzt. Durch den Einfüllstutzen
44, der sich an dem einen Ende der Behandlungskammer befindet, gelangt das zu behandelnde Material aus dem Vorratsbehälter über die
Hauptleitung in die Behandlungskammer. Durch einen Schallgeber 46, der
sich am gleichen Ende wie der Einfüllstutzen befindet, wird das eintretende flüssige Material beschallt. Am anderen Ende der Behandlungskammer
kann ein Prallblech 48 angebracht werden, das die Schallwellen reflektier^
die durch den Schallgeber 46 erzeugt werden. Durch diese Art der Behandlung wird eine noch schnellere Abnahme der Viskosität in dem gesamten
zu behandelnden Material in kürzester Zeit erreicht. Die beschriebene Vorrichtung kann anstelle der Behandlungskammer 16 und einer
separaten Sprühvorrichtung 20, wie in Fig. 1 angegeben ist, zur Herabsetzung
der Viskosität der Flüssigkeit verwendet werden, ehe dieselbe unter Druck durch den Spalt 43 ausgespritzt wird,
Der Durchmesser der Behandlungskammer 40 der Abbildung 3 kann beispielsweise
Z3 5 cm und die Länge der Bshandlungskammer ungefähr 15cm
betragen, wobei der Durchmesser der Kammsr und der des Schallgebers
ungefähr gleich sind, so daß die Reflexion der Schallwellen durch die
Wänds der Kammer zurück auf den Schallgsber sehr niedrig gehalten werden
kann. Wenn, wie in Fig. 2, zwei einander gegenüberliegende Schall-
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geber verwendet werden, muß die Länge der Behandlungskammer so bemessen
sein, daß der eine Schallgeber nicht die durch den anderen Schallgeber erzeugten Schwingungen aufnehmen kann und durch die dabei erzeugte
Hitze zerstört würde. In Behandlungsverfahren, in denen in der Hitze härtbares Material verwendet wird, sollten Ultraschallfrequenzen oberhalb
500 kHz verwendet werden, damit die Erscheinung der Kavitation oder ein mögliches Aushärten des Materials vermieden wird. Beide Erscheinungen
können auftreten, wenn in einem Frequenzbereich unterhalb 500 kHz gearbeitet wird. Wenn das zu behandelnde Material kein in der Hitze härtba- g
res Harz ist, können Schallwellen im Frequenzbereich von 20 kHz bis 1000 kHz verwendet werden.
Es folgen Ausführungsbeispiele an verschiedenen Nicht-Newtons chen Flüssigkeiten
in der beschriebenen Apparatur.
Eine Kombination aus einem Acrylnitril-Butadien-Harz und einem Vinylchlorid-Vinylacetat-Polymeren,
die eine scheinbare Ausgangsviskosität von 6700 cP hat, wurde 15 Sekunden lang mit einer Frequenz von 880 kHz
beschallt. Nach der Beschallung betrug die gemessene Viskosität 3000 cP; nach einer Wartezeit von 10 Minuten wurden 4000 cP und nach 20 Minuten
4400 cP gemessen.
Ein Epoxidharz Epon 826 der Shell Chemical Company zeigt dilatant-thixotropes
Fließverhalten. Ein solches Harz mit einer mittleren scheinbaren Viskosität von 9000 cP wurde mit einer Frequenz von 47 kHz 30 Minuten
lang beschallt. Nach einer Wartezeit von einer Stufide betrug die mittlere scheinbare Viskosität 4000 cP und die Fließkurve war die einer
Newtons chen Flüssigkeit. Die angegebene Erniedrigung der Viskosität wird schon in einer kürzeren Beschallungsdauer als 30 Minuten erreicht.
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Ein Epoxidharz Epon 828, dessen mittlere scheinbare Viskosität vor der
Beschallung 12.000 cP betrug, hatte nach einer Beschallung mit einer Frequenz von 47 kHz über einen Zeitraum von 15 Minuten eine Viskosität
von 6000 cP.
lOg Siliziumdioxid in feinster Verteilung und 100g Methanol wurden gemischt,
die Viskosität der Mischung betrug 5000 cP. Die Flüssigkeit, ein pseudoplastisches thixotropes Material wurde mit einer Frequenz von
kHz 30 Sekunden lang beschallt, wobei eine Erniedrigung der Viskosität auf 400 cP eintrat. Nach der Beschallung war die Fließkurve der einer
Newtonschen Flüssigkeit ähnlich.
Bei den in den Beispielen angegebenen Viskositätswerten handelt es sich
um die sog. scheinbare Viskosität. Dabei wird in Anlehnung an die Newtonsche Definition auch für die Nicht-Newtonschen Substanzen 1C/V* fg
(apparent viscosity) gesetzt. Die Viskositäten wurden mit einem Brookfield-Rotationszylinderviskosimeter
bei 25 C und bei verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten gemessen. Nach jeder experimentellen Messung
wurde bis zur Ablesung 3 Minuten gewartet, damit sich in der zu messenden Substanz ein Gleichgewicht einstellen konnte und um Meßfehler
durch die Trägheit des Instrumentes auszuschalten. Die Messungen wurden
mit zwei Ultraschallgeneratoren, die alternierend angewendet wurden, ausgeführt. Der eine arbeitete bei einer Frequenz von 47 kHz, der andere
war ein Breitbandgenerator, der bei einer Frequenz von 880 kHz arbeitete.
In beiden Systemen wurde eine Quarzplatte als piezoelektrischer Schallgeber verwendet. Die Spindel des Viskosimeters wurde von oben in
die Behandlungskammer eingeführt, in der nur ein Ultraschallgeber am gegenüberliegenden Ende vorhanden war. Es wurde gefunden, daß die
Zeitdauer der Beschallung keinen so großen Einfluß auf die Erniedrigung
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der Viskosität hatte wie die Eingangsleistung und der Frequenzbereich des
- Ultraschallgenerators und die Größe der Behandlungskammer.
In den Beispielen 2 bis 4 war die Dauer der Beschallung gegenüber Beispiel
1 länger, um feststellen zu können, ob die behandelten Materialien bei der Beschallung in Abhängigkeit von der Zeit und den Frequenzbereichen
eine bleibende Veränderung erfahren würden. Dies war vor allem dann von Bedeutung, wenn es sich bei dem zu behandelnden Material um
ein hitzehärtbares Material handelte, das durch Ultraschallkavitation, die bei einer Beschallung mit Frequenzen unterhalb 450 kHz auftreten könnte, d
beeinflußt wird. Es wurde gefunden, daß bei Frequenzen oberhalb 450 kHz
keine Ultraschallkavitation auftrat und keine Polymerisation oder Abbau der Materialien feststellbar war, selbst wenn die Dauer der Beschallung
bis zu 45 Minuten betrug.
In dem kontinuierlichen Verfahren gemäß Fig. 1 konnte das Zeitintervall,
das zur Herabsetzung der Viskosität auf einen bestimmten Wert erforderlich war, dadurch kontrolliert werden, daß die Durchflußgeschwindiglceit
durch die Behandlungskammer je nach Frequenzbereich und Eingangsleistung des Ultraschallgenerators und den Abmessungen der Behandlungskammer
ausgewählt wurde. Wenn die Behandlungskammer 16, wie in Fig. j
2 angegeben, verwendet wurde, wurde das Material unter Druck aus dem
Vorratsbehälter 12 durch die Leitung 14, über Eingangs stutzen 31, durch die Behandlungskammer 16, über Ausgangsstutzen 30 •
und durch Leitung 20 in die Sprühvorrichtung 21 unter Druck transportiert.
Die Viskosität kann auch sukzessive erniedrigt werden, indem man zwei
oder mehr Behandlungskammern in Serie hintereinanderschaltei und die
Behandlung in den einzelnen Kammern mit den gleichen oder mit verschiedenen
Frequenzen durchführt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist
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besonders geeignet zur Behandlung von dilatanten und pseudoplastischen
Materialien, wobei zusätzlich zu der Viskositätserniedrigung durch die Ultraschallschwingungen eine Homogerieierung und eine Vermischung der
Flüssigkeit mit anderen Bestandteilen bis zu einem gewissen Grade stattfindet.
In der vorliegenden Erfindung ist die Behandlungskammer Bestandteil
einer Beschichtungsvorrichtung. Sie kann aber genauso gut für andere Zwecke, beispielsweise zur Zubereitung verschiedener flüssiger Zusammensetzungen,
verwendet werden. Die Behandlung mit Ultraschall kann angewendet werden in kontinuierlichen und teilkontimuerlichen Verfahren,
oder auch wenn ansatzweise gearbeitet wird.
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Claims (6)
1. Verfahren zur Erniedrigung der scheinbaren Viskosität Nicht-Newtonscher
Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Flüssigkeit zur Herabsetzung der Viskosität mit Ultraschallwellen behandelt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit
mit Ultraschallwellen in einem Frequenzbereich unterhalb 1000 kHz behandelt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die zu behandelnde Flüssigkeit während der Beschallung kontinuierlich durch die Behandlungskammer geleitet wird.
4. Verwendung der in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3
behandelten Flüssigkeiten als Bindemittel für eine magnetisierbare
Farbe, die in einem Beschichtungsverfahren bsi der Herstellung magnetisierbaren
Aufzeichnungsmaterials auf eine Matrix oder ein Vlies aufgetragen wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprü- *
ehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Behandlungskammer (16)
ein dünnwandiges Rohr (28) vorgesehen ist mit seitlich angebrachten Eintritts- und Austrittsöffnungen (30, 31) und mit wenigstens einem Ultraechallgeber
(32, 33), der sich am Ende des Rohres befindet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und zur Verwendung nach
Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (43) als Längsschlitz ausgebildet ist und daß die durch diesen Längsschlitz
unter Druck austretende Flüssigkeit direkt zum Beschichten einer Auftrag-walze dient.
009826/1930
BO 9-68-003
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