DE19753794A1 - Verfahren zum Mischen von Feststoffen oder Beschichten von Oberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Mischen von Feststoffen oder Beschichten von Oberflächen in einem Fluid.

Für vielfältige Anwendungen werden Mischungen von Feststoffen aus feinteiligen Partikeln mit Korngrößen kleiner etwa 10 µm oder Beschichtungen von Oberflächen mit einem Feststoff aus feinteiligen Partikeln mit Korngrößen kleiner 10 µm benötigt.

Problematisch bei diesen Feststoffen ist das starke Haftvermögen der Partikel untereinander, was beispielsweise zu Agglomeraten führt, wodurch das Fließverhalten der Schüttungen beeinträchtigt wird. Die Bildung von Agglomeraten aus den feinteiligen Partikeln der einzelnen Mischungskomponenten führt schließlich dazu, daß sich nur eine unzureichende Mischqualität einstellen läßt. Sind die Anteile der einzelnen Mischungskomponenten in der Mischung sehr unterschiedlich, beispielsweise eine Mischung aus einem Trägerstoff mit einem Spurstoff im Promillebereich, können Agglomerate zu einer starken Entmischung führen.

Das relativ starke Haften von feinteiligen Partikeln führt zu Fließproblemen. Genannt seien hier Probleme beim Ausfließen aus einem Behälter (Molerus, O.: Schüttgutmechanik-Grundlagen und Anwendungen in der Verfahrenstechnik; Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, Springer-Verlag, 1985).

Feststoffmischungen, deren Einzelkomponenten aus feinteiligen Partikeln bestehen, werden in Mischapparaten mit schnellaufenden Mischorganen hergestellt. Die speziell geformten Mischorgane laufen häufig gegensinnig. Sie sollen einerseits eine mechanische Umlagerung der Komponentenbestandteile, das bedeutet Einzelpartikel und Agglomerate, bewirken. Andererseits haben sie die Aufgabe, die gegebenenfalls vorhandenen Agglomerate zu zerstören und aufzubrechen. Ziel ist die Bildung kleinteiliger Bruchstücke, um eine bessere Mischungsqualität zu erreichen. Dabei ist es ein Problem, daß sich Agglomeratbruchstücke der einzelnen Mischungskomponenten zusammenlagern und neue Mischagglomerate bilden können (Weinekötter, R., Gericke, H.: Mischen von Feststoffen-Prinzipien, Verfahren, Mischer; Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, Springer-Verlag, 1995).

Das Haftvermögen der feinteiligen Partikel wird wesentlich durch das Fluid, das bedeutet, das Kontinuum zwischen den Partikeln, bestimmt. Wird anstelle eines Gases eine Flüssigkeit als Fluid verwendet, so ist damit eine Reduzierung des Haftvermögens der Partikel verbunden. Vielfach werden deshalb Mischungen aus feinteiligen Partikeln in einer Flüssigkeit hergestellt. Diese werden im folgenden als Suspension bezeichnet. Auch in diesem Fall ist es üblich, Mischapparate mit schnellaufenden, gegensinnig drehenden Mischorgangen einzusetzen. Beispielhaft sei hier das Mischen von Farbpigmenten in einem Harz mit Hilfe eines schnellaufenden Rührers zum Aufbringen relativ hoher Scherkräfte, sogenannter Dissolver, genannt. Ein vollständiges Entfernen des Fluids nach erfolgter Mischung ist in der Regel nicht möglich. Vielfach werden durch das Fluid oder durch das Entfernen des Fluids Verbindungen zwischen den einzelnen Partikeln hergestellt, zum Beispiel Festkörperbrücken durch Auskristallisieren gelöster Bestandteile, die für die weitere Handhabung, zum Beispiel Lagern in Silos, unerwünscht sind (Schwedes, J.: Fließverhalten von Schüttgütern in Bunkern; Verlag Chemie, Weinheim, 1968).

Wesentliches Merkmal der beschriebenen Mischapparate für feinkörnige Partikel nach dem Stand der Technik ist die zufallsbedingte Zerstörung von Agglomeraten und Umlagerung der Agglomeratbruchstücke oder der Einzelpartikel. Die Mischdauer und Mischqualität wird deshalb durch die Beanspruchungsintensität in den Mischapparaten, zum Beispiel schnellaufende Mischwerkzeuge, wesentlich beeinflußt. Ein zielgerichtetes Mischen von Einzelpartikeln der Mischungskomponenten ist nicht möglich (Weinekötter, R., Gericke, H.: Mischen von Feststoffen-Prinzipien, Verfahren, Mischer; Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, Springer-Verlag, 1995).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Mischen von Feststoffen oder Beschichten von Oberflächen bereitzustellen, bei dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden und bei dem eine homogene Mischung erreicht werden kann oder welches zum Beschichten einer Oberfläche mit einem Feststoff eingesetzt werden kann, wobei das Endprodukt einer Mischung von Feststoffen eine relativ gute Rieselfähigkeit aufweisen soll und die Beschichtung einer Oberfläche relativ homogen sein soll.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem das Fluid ein chemisch inerter und elektrisch nicht leitender Stoff ist und bei dem die Partikel von mindestens zwei unterschiedlichen Feststoffen oder die Partikel von mindestens einem Feststoff und einer zu beschichteten Oberfläche eine unterschiedliche elektrostatische Aufladung aufweisen. Unter dem Begriff "Feststoff" sind hier Stoffe in fester Form mit allen denkbaren Morphologien, zum Beispiel kugelige, runde, plattige, dendritische, flächige, faserige oder verästelte Formen, zu verstehen, wobei der Begriff "Stoff" einen einzelnen Stoff und Stoffgemische umfaßt.

Das Fluid bewirkt eine Verringerung des Haftvermögens der Partikel. Da das Fluid inert ist, tritt es nicht in chemische Wechselwirkung mit den Partikeln. Es findet kein Anlösen der Partikel statt und die Suspension bestehend aus Fluid und Feststoff enthält keine gelösten Bestandteile. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn nach dem Mischvorgang das Fluid entfernt werden soll, beispielsweise durch Verdampfen oder Verdüsen, um eine trockene Mischung als Endprodukt zu erhalten. In diesem Fall ist eine Bildung von Feststoffbrücken zwischen den Partikeln durch Auskristallisieren von in der Flüssigkeit gelösten Bestandteilen nahezu ausgeschlossen.

Das Fluid weist vorzugsweise eine relativ hohe Dichte auf, was den Mischungsvorgang der Feststoffe fördert. Dabei ist das Fluid besonders bevorzugt, welches eine den zu mischenden Stoffen möglichst nahekommende Dichte aufweist. Denn durch eine ähnliche Dichte von Feststoff und Fluid, beispielsweise eine Dichte von ca. 1 bis 2 g/cm³, wird der Feststoff in dem Fluid in Schwebe gehalten, was den Mischungsvorgang erleichtert.

Als Fluid wird vorzugsweise ein chemisch inerter und elektrisch nicht leitender anorganischer Stoff, besonders bevorzugt ein chemisch inertes und elektrisch nicht leitendes flüssiges oder überkritisches Gas, verwendet. Als flüssiges oder überkritisches Gas wird flüssiger Stickstoff oder flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, eingesetzt. Im Vergleich zu anderen Suspendiermedien, beispielsweise Wasser, ist die Oberflächenspannung und die Viskosität des flüssigen oder überkritischen Gases relativ klein. Eine geringe Oberflächenspannung ist günstig für die Benetzung der Partikel und damit auch für das Dispergieren. Eine geringe Viskosität unterstützt ebenfalls das Dispergieren und erfordert einen geringeren Energieeintrag mit den Mischwerkzeugen als bei höher viskosen Medien, um eine bestimmte Mischqualität zu erzielen. Auch die relativ hohe Dichte des flüssigen oder überkritischen Gases fördert die Mischung der Feststoffe oder Beschichtung der Oberfläche. Auch die relativ tiefe Temperatur des flüssigen oder überkritischen Gases ist von Vorteil, da die durch ein Rühren der Mischung eingetragene Energie und Wärme so kompensiert oder abgeführt wird. Ferner wird durch den Einsatz des flüssigen oder überkritischen Gases die Gefahr einer Staubexplosion bei der weiteren Handhabung von sehr feinteiligen Stoffen verringert. Die Verwendung von flüssigem Stickstoff ist bevorzugt, da er chemisch inert ist, ein günstiges elektrisches Verhalten aufweist und eine relativ geringe Verdampfungsenthalpie besitzt.

Das Fluid steht vorzugsweise unter mindestens Atmosphärendruck, das bedeutet einem Druck von größer ca. 1 bar, wobei der obere Grenzwert der kritische Druck des Fluids ist.

Nach der Erfindung weisen die einzelnen Partikel der Feststoffe einen mittleren Partikeldurchmesser von 0,001 µm bis 100 µm, vorzugsweise von 0,01 µm bis 50 µm auf.

Ein gezieltes Mischen der Partikel von zwei unterschiedlichen Feststoffen kann dadurch erreicht werden, wenn neben den mechanischen Umlagerungen die einzelnen Partikel so markiert werden, daß Partikel des gleichen Feststoffs sich abstoßen und Partikel der zwei unterschiedlichen Feststoffe sich anziehen. Hierzu sind zum Beispiel die Partikel von den beiden Feststoffe mit unterschiedlichen Vorzeichen aufzuladen, wobei die Feststoffe insbesondere elektrisch nicht leitende Feststoffe oder elektrisch leitende und gleichzeitig elektrostatisch aufladbare Feststoffe sein können.

Die Aufladung kann zum Beispiel mit Hilfe der Corona-Aufladung erfolgen. Bei diesem Verfahren werden in einem Hochspannungsfeld zwischen einer sogenannten Emitterelektrode und einer Gegenelektrode, zum Beispiel eine geerdete Elektrode, positive beziehungsweise negative Ladungsträger erzeugt. Diese Ladungsträger lagern sich auf die im Hochspannungsfeld vorhandenen Partikel ab, wodurch diese eine elektrische Ladung erhalten.

Nach der Erfindung ist es ebenso vorgesehen, daß die Partikel mit Hilfe einer triboelektrischen Aufladung ein Ladung erhalten. Das bedeutet, daß auf die Partikel durch den physikalisch-mechanischen Effekt einer Reibungsaufladung elektrisch geladene Teilchen übertragen werden. Für eine möglichst effektive Aufladung sind vorzugsweise die Stoffpaarungen zu verwenden, die in der triboelektrischen Reihe möglichst weit auseinander liegen.

Das mechanische Umlagern der Partikel erfolgt vorteilhaft in einem isoliert aufgestellten Mischapparat und/oder der Behälter für das Fluid ist aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt. Da das Fluid selbst nicht leitend ist, können die Ladungen so nicht von den Partikeln abfließen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem mit dem chemisch inerten und elektrisch nicht leitendem Fluid nacheinander oder gleichzeitig die geladenen Partikel der Feststoffe gegeben. Die Partikel sind dazu in geeigneter Weise zu dispergieren, um möglichst nur Einzelpartikel in dem Fluid vorliegen zu haben. Die Dispergierung der Partikel kann vorteilhaft mit Hilfe eines Bürstendosierers erfolgen. Dieses ist eine Vorrichtung, bei der durch eine schnelldrehende Bürste Partikel von einem Schüttgutpfropfen, daß bedeutet ein Pfropfen bestehend aus Einzelpartikel, welcher durch einen Kolben an die Bürste gedrückt wird, abgebürstet werden. Hierdurch ist es möglich, daß von dem Schüttgutpfropfen nahezu Einzelpartikel abgetragen werden. Die Einzelpartikel werden anschließend vorzugsweise mit der Corona-Auf­ ladung aufgeladen. Das bedeutet, die Aufladung erfolgt hier in der Trockenphase und erst anschließend werden die aufgeladenen Partikel dem Fluid zugeführt. Nach der Erfindung ist ebenso möglich, daß die Partikel im Fluid selbst elektrisch aufgeladen werden. Hierzu erfolgt eine Emission von elektrisch geladenen Teilchen in das Fluid beispielsweise mit Hilfe einer Emitterelektrode und Gegenelektrode, die am Behälter angeordnet sind, worin das Fluid sich befindet. Zur Verhinderung des Ladungsabflusses ist der Behälter vorteilhaft aus einem elektrisch nicht leitendem Material, vorzugsweise Teflon, hergestellt und/oder der Behälter ist elektrisch isoliert aufgestellt. Zur Unterstützung des Mischprozesses und Erhöhung der Mischqualität ist es vorgesehen, die Feststoff-Fluid-Suspension zu rühren und/oder eine Ultraschallbehandlung während oder nach dem Mischvorgang vorzunehmen. Nach Beendigung des Mischvorgangs kann das Fluid verdampft oder verdüst werden, um ein trockenes Mischprodukt zu erhalten.

Die Partikel der Feststoffe können auch separat elektrisch aufgeladen und in zwei Behälter mit dem Fluid suspendiert werden. Anschließend werden die beiden Suspensionen in einen Behälter zusammengeführt und gemischt. Die einzelnen Behälter sind wiederum vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leitendem Material oder sie sind elektrisch isoliert aufgestellt.

Die elektrische Aufladung der Partikel unterstützt das Mischen von nicht leitenden Stoffen in positiver Weise. Das Suspendieren der Mischkomponenten in dem Fluid mit anschließendem Mischen ohne Partikelaufladung kann jedoch ebenfalls vorteilhaft sein. Denn so kommt es zu einer Reduzierung des Haftvermögens. Durch Abdampfen oder Verdüsen des flüssigen Gases kann eine trockene Mischung hergestellt werden und ein Anlösen der Partikel wird verhindert, wodurch eine Bildung von Festkörperbrücken nicht stattfindet.

Das Zusammenspiel von nicht leitendem Fluid und aufgeladenen, vorzugsweise elektrisch nicht leitenden Partikeln kann auch zur Herstellung lager- und transportstabiler Suspensionen genutzt werden. Werden in ein elektrisch nicht leitendes Fluid, beispielsweise flüssiger Stickstoff, gleichartig aufgeladene und elektrisch nicht leitende Partikel in disperser Form eingebracht, zum Beispiel mit einem Bürstendosierer, so stoßen sich die gleichartig geladenen Partikeln ab. Ist der Suspensionsbehälter aus einem elektrisch nicht leitendem Material oder elektrisch isoliert aufgestellt, dann kann keine Ladung aus der Suspension abfließen. Die Gesamtladung der Partikel bleibt erhalten. Die Suspension bleibt stabil. Die Partikel setzten sich auch dann nicht ab, wenn die durch die Aufladung erzeugte Abstoßungskraft zwischen den gleichartig aufgeladenen Partikeln die Gravitationskraft übersteigt.

Liegt eine Mischung vor, die aus einer relativ geringen Menge mindestens eines Feststoffs (Spurstoff) und einer relativ großen Menge mindestens eines anderen Feststoffs (Trägermaterial) besteht, so kann mit dem beschriebenen Mischverfahren ein gezieltes Beschichten des Trägermaterials mit dem Spurstoff durchgeführt werden. Der Spurstoff ist in der Regel feinteiliger als das Trägermaterial. Es besteht dann die Möglichkeit, die relativ feinteiligen Partikel des Spurstoffs an die relativ gröberen Partikel des Trägermaterials anzulagern. Auch in diesem Fall werden die Partikel der beiden Feststoffe dispergiert, elektrostatisch aufgeladen und in das flüssige oder überkritische Gas eingebracht. Sind die beiden Komponenten positiv beziehungsweise negativ aufgeladen, stoßen sich die gleichsinnig geladenen Partikel ab und die gegensinnig geladenen Partikel ziehen sich an, so daß hierdurch ein definiertes Beschichten von Partikeln des Trägermaterials mit Partikeln des Spurstoffs möglich ist. So können zum Beispiel vorteilhaft katalytisch wirksame Spurstoffe auf einem Trägermaterial aufgebracht werden.

Claims (13)

1. Verfahren zum Mischen von Feststoffen oder Beschichten von Oberflächen in einem Fluid, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein chemisch inerter und elektrisch nicht leitender Stoff ist und daß die Partikel von mindestens zwei unterschiedlichen Feststoffen oder die Partikel von mindestens einem Feststoff und mindestens einer zu beschichtenden Oberfläche eine unterschiedliche elektrostatische Aufladung aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein flüssiges oder überkritisches Gas ist,

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Feststoffe mit einer vergleichbaren Partikelgröße gemischt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein relativ geringe Menge mindestens eines relativ feinteiligen Feststoffs und eine relativ große Menge mindestens eines relativ grobteiligen Feststoffs gemischt werden, wodurch die Partikel des relativ feinteiligen Feststoffs an die Partikel des relativ grobteiligen Feststoffs angelagert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Feststoff in das Fluid eingebracht wird und so eine lager- und transportstabile Suspension hergestellt wird, welche mit mindestens einem anderen Feststoff oder mit einer Suspension des anderen Feststoffs gemischt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffe in das Fluid eingebracht werden mit Hilfe einer Düse, einer Zuteileinrichtung oder einer Dispergiereinrichtung.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter für das Fluid aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt ist und/oder elektrisch isoliert gelagert ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Mischen das Fluid verdampft oder verdüst wird und so eine trockenes Produkt hergestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid flüssiger Stickstoff oder flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet; daß das Fluid unter einem Druck von größer ca. 1 bar steht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel des Feststoffs einen mittleren Partikeldurchmesser von 0,01 µm bis 50 µm aufweisen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein relativ feinteiliger Feststoffs und relativ grobteiliger Feststoffs gemischt werden, wobei die Partikel des relativ feinteiligen Feststoffs einen mittleren Partikeldurchmesser von 0,01 µm bis 2 µm und die Partikel des relativ grobteiligen Feststoffs einen mittleren Partikeldurchmesser von 1 µm bis 50 µm aufweisen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche mit mindestens einem relativ feinteiligen Feststoffs beschichtet wird, wobei die Partikel des relativ feinteiligen Feststoffs einen mittleren Partikeldurchmesser von 0,01 µm bis 2 µm aufweisen.