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Verfahren zur Herstellung feinteiliger Wachse
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung feinteiliger
Wachse durch elektrostatisches Versprühen, sowie die Verwendung dieser Wachse als
Lackmattierungsmittel.
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Für viele Anwendungszwecke, beispielsweise für die Lackmattierung,
werden besonders feinteilige Wachse benötigt, die darüber hinaus ein möglichst enges
Kornspektrum aufvreisen sollen, So dürfen beispielsweise Lackmattierungsmittel keine
Teilchen enthalten, die größer als 20/um sind, da sonst die Oberflächenqualität
der Lackierung beeinträchtigt würde, Andererseits tragen Teilchen mit einem Durchmesser
kleiner als 11um nichts mehr zur Mattierung bei, Die meisten Wachse können durch
mechanisches Zerkleinern, zoB.
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durch Vermahlen, nicht in die gewünschte feinteilige Form überführt
werden, bzwo sie neigen in zermahlener Form zu irreversibo len Verklumpungen beim
Lagern, Üblicherweise werden daher feinteilige Wachse durch Ausfällen einer Wachs
lösung in ein Nicht-Lösungsmittel hergestellt. Dabei muß jedoch mit brennbaren aromatischen
Lösungsmitteln hantiert werden, außerdem ist meist noch ein aufwendiger Trocknungsprozeß
erforderlich0 Beim Versprühen von Wachs lösungen in der Luft entsteht ein Pulver
mit sehr breitem Kornspektrum, das vor der Anwendung durch Sichten von zu groben
und und zu feinen Anteilen befreit werden muRO Der Erfindung lag daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von feinteiligen Wachsen zu entwickeln,
bei dem ein Pulver mit einer mittleren Teilchengröße zwischen 2 und 12/um anfällt,
welches eine enge Kornverteilung aufweist, Diese Aufgabe wird gelöst, wenn man Wachse
mit einem Molekulargewicht zwischen 500 und 10 000 als Schmelze mit einer Viskosität
zwischen
100 und 400 m Pa s und einem elektrischen Widerstand zwischen 104 und 1010 Ohm durch
Anlegen einer Spannung zwischen 50 und 200 KV zerstäubt.
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Besonders zweckmäßig wird dieses Verfahren bei Polyolefinwachsen angewandt;
die ggf. bis zu 50 Gew.% Esterwachse, Säurewachse oder Amidwachse zugemischt enthalten
können. Derartige Wachse sind dann besonders für die Verwendung als Lackmattierungsmittel
geeignet.
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Dem Verfahren liegt das Prinzip der elektrostatischen Versprühung
zugrunde, wie es u.a, vom Versprühen von Lacken her bekannt ist0 Eine Ausführungsform
des Verfahrens ist z0B. qn der DT-OS 1 577 920 beschrieben0 Es beruht darauf, daß
durch Anlegen hoher elektrischer Spannung in einem Flüssigkeitspartikel elektrostatische
Ladungen erzeugt werden, welche zur Ausbildung von Abstoßungskräften im Partikel
führen, Sobald diese Abstoßungskräfte stärker werden als die Oberflächenspannung,
welche den Zusammenhalt des Partikels bewirkt, zerplatzt das Partikel zu feinen
Teilchen. Da die Oberflächenspannung vom Teilchendurchmesser abhängt, kann durch
Variation der angelegten Spannung die Größe der entstehenden Teilchen beeinflußt
werden0 Die Wachse sollen ein Molekulargewicht zwischen 500 und 10 000, vorzugsweise
zwischen 2000 und 6000 aufweisen. In Frage kommen vor allem Polyolefinwachse, wie
z.B. Polyäthylenwachse, Polypropylenwachse, sowie chemisch modifizierte, zoBo oxidierte
Polyolefinwachse. Sie werden entweder durch Abbau höhermolekularer Polyolefine oder
durch Polymerisation der Monomeren in Gegenwart von Reglern hergestellt. Geeignet
sind auch Paraffinwachse, und zwar sowohl natürliche Wachse, wie Montanwachse, als
auch synthetische die nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren hergestellt werden0 Weiterhin
können Esterwachse (aus langkettigen Fettsäuren und langkettigen Alkoholen), Säurewachse,
Alkoholwachse und Amidwachse, z.B. Äthylenbisstearylamid, verwendet werden0 Besonders
gut geeignet sind Wachsmischungen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geht man aus von einer Wachsschmelze.
Die Schmelze kann nur dann ohne Schwierigkeiten elektrostatisch versprüht werden,
wenn sie eine Viskosität zwischen 100 und 400, vorzugsweise zwischen 150 und 200
m Pa s hat0 Die Viskosität ist abhängig von der Art und dem Molekulargewicht des
Wachses, von Zusatzstoffen, und in geringerem Maße auch von der Temperatur. Im allgemeinen
arbeitet man bei Temperaturen zwischen 0 50 und 200, vorzugsweise zwischen 100 und
150 C, wobei man zweckmäßigerweise unterhalb der Zersetzungstemperatur des Wachses
bleibt.
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Die Schmelze muß hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften auf
das elektrostatische Sprühverfahren eingestellt sein, Es hat sich gezeigt, daß nur
solche Wachsschmelzen ohne Schwierigkeiten zersträubt werden können, die einen elektrischen
Widerstand zwischen 103 und 1010, vorzugsweise zwischen 104 und 109 haben0 Ein zu
niedriger Widerstand führt dazu, daß die Lackpartikel die Ladung zwar sehr schnell
aufnehmen, sie dafür jedoch eben so rasch wieder abgeben, so daß die Spannung nicht
zur Ausbildung sehr feiner Tröpfchen ausgenutzt werden kann0 Ist der Widerstand
zu hoch, so besteht die Möglichkeit, daß nicht genügend Ladung aufgenommen wird
und dadurch die Bildung sehr feiner Sprühtröpfchen unterbleibt. Der Widerstand ist
wiederum abhängig von der Art des Wachses, den Zusatzstoffen und der Temperatur0
Es hat sich gezeigt, daß die vorzugsweise verwendeten unpolaren Polyolefinwachse
verhältnismäßig hohe Widerstände haben, die aber durch Zumischen von Wachsen mit
polaren Gruppen, z0B. Esterwachsen, Säurewachsen oder Amidwachsen in Mengen von
0 bis 50, vorzugsweise von 10 bis 30 Gene%, erniedrigt werden können.
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Als weitere Zusatzstoffe kommen Tenside in Frage, durch welche die
Oberflächenspannung beeinflußt werden kann. Geeignet sind Ubliche Emulgatoren, vorzugsweise
in Mengen von 10 bis 30 Ges.%.
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Das Versprühen wird durch Anlegen einer Hochspannung bewirkt.
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Dies geschieht vorzugsweise so, daß die Schmelze in Kontakt mit
einem
Pol einer Spannungsquelle gebracht wird. Dann wird die Schmelze in einer geeigneten
Apparatur versprüht. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß man sie über
eine Kante ablaufen läßt oder aus einer Düse auspreßt.
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An der Ablauf- oder Auspreßstelle bildet sich ein starkes Potentialfeld
aus, durch welches die Partikel mit einer hohen Spannung beladen werden. Die Zerstäubung
erfolgt ausschließlich unter dem Einfluß der Ladung. Die versprühten Tröpfchen werden
dann an einem Gegenpol, zweckmäßigerweise an einem Blech, aufgefangen0 Auf dem Flugweg
erstarren die geschmolzenen Partikel zu nicht mehr verklebendem Pulver.
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Wie bereits ausgeführt, kann die Teilchengröße direkt durch die angelegte
Spannung beeinflußt werden. Es hat sich gezeigt, daß für die angestrebte mittlere
Teilchengröße zwischen 2 und 12/um, vorzugsweise zwischen 4 und 10/um, eine Spannung
nötig ist, die zwischen 50 und 200, vorzugsweise zwischen 80 und 150 KV liegt.
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Die erfindungsgemäß hergestellten feinteiligen Wachse sind besonders
für die Verwendung als Lackmattierungsmittel geeignet, da sie genügende Feinheit
und ein enges Kornspektrum haben. Sie eignen sich für alle dblichen.Lacke, beispielsweise
für solche auf Basis von Aminoplastharzen, Alkydharzen, Acrylatharzen, Polyurethanen,
Nitrocellulose oder Vinylpolymerisaten, welche in den üblichen Lacklösungsmitteln
gelöst oder dispergiert sein können und die üblichen Zusatzstoffe enthalten können0
Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß hergestellten Wachse, daß sie
als Pulver direkt in den Lack eingerührt werden können; sie können jedoch auch zusammen
mit Lösungsmittel, Weichmachern oder Harzlösungen mit dem Lack vermischt werden.
Sie werden je nach dem gewünschten Mattierungsgrad dem Lack in Mengen von 1 bis
20, vorzugsweise von 4 bis 10 Gew.%, bezogen auf den Feststoffgehalt des Lackes,
zugesetzt.
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Außer als Lackmattierungsmittel können die Wachse auch noch als Gleitmittel
in Lacken und Druckfarben, oder als Abdeckmaterial,
welches das
Verdunsten von Wasser verhindern soll, verwendet werden. Die Wachspartikel haben
in guter Näherung kugelförmige Gestalt; diese Eigenschaft läßt sie auch als Materialien
für retroreflektierende Beschichtungen geeignet erscheinen.
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Die in den Beispielen genannten Teile und Prozente beziehen sich auf
das Gewicht.
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Beispiel 1 Ausgangsmaterial: Hochdruck-Polyäthylen-Wachs mit einem
Molekulargewicht von etwa 3 000, einer Teilchengröße von etwa 200/u, einer Schmelzviskosität
von etwa 200 m Pa s und einem elektrischen Widerstand von etwa 109 Ohm.
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Versuchsanordnung: Ein horizontal angeordnetes, muldenförmig ausgebildetes,
einseitig mit einer scharfen Kante versehenes Eisenblech (Versprüher) ist an einen
Hochspannungsgenerator angeschlossen. Im Abstand von etwa 20 cm ist ein vertikal
ausgestelltes, bewegliches Aluminiumblech angeordnet, welches als Gegenpol geerdet
ist (Abscheider).
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Verfahren: Das Wachs wird auf dem Versprüher bei 120 0C geschmolzen
und mit einer Hochspannung von 140 KV beladen. Es tritt Zerstäubung der Schmelze
ein, die sich auf dem Abscheider in Form von Partikeln der mittleren Teilchengröße
von etwa 101u niederschlägt. Während des Sprühvorgangs ist das Abscheider-Blech
fortwährend unter Einhaltung des gleichen Abstandes vom VersprUher zu bewegen, da
das abgeschiedene Material als Isolator wirkt.
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Anwendung: Das so erhaltene, feinteilige Mattierungsmittel wird in
einen unpolaren Kunstharzlack der nachstehenden Formulierung eingerührt:
100
Teile eines lufttrocknenden Alkydharzes, 60 %ig in Testbenzin 2 Teile Kobalt/Blei/Mangan-Sikkativ
0,5 Teile eines handelsüblichen Hautverhinderungsmittels, 50 Teile Testbenzin, 4
bis 8 Teile des Wachses, 0,4 Teile Kieselsäure-Mattierungsmittel zur Thixotropierung.
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Beispiel 2 Ausgangsmaterial: Wie Beispiel 1 Versuchsanordnung: In
Abänderung der in Beispiel 1 beschriebenen Anordnung befindet sich zwischen dem
Versprüher und dem gegenüber angeordneten Abscheider ein Isolator.
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Verfahren: Wie bei 2; das versprühte Wachspulver ist hier aber infolge
des eingebauten Isolators gezwungen, eine balistische, nahezu kreisförmige Flugbahn
zu beschreiben0 Dies hat zur Folge, daß feinere Partikel, deren Flugbahn stärker
gekrümmt ist, sich an einer anderen Stelle abscheiden als die gröberen Partikel,
deren Flugbahn weniger gekrümmt ist. Dadurch kann eine spektrale Aufteilung der
Korngrößen erreicht werden0 Anwendung: Der Feinanteil des so erhaltenen Mattierungsmittels
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von etwa 6,u wird in einen Lack folgender
Formulierung eingerührt: 12 Teile Nitrocellulose (butanolfeucht), 20 Teile eines
plastifizierten Harnstoff/Formaldehyd-Harzes, 60 %ig in Butanol, 30 Teile Athylglykol,
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Teile Toluol, 50 Teile Butylacetat, 2 Teile Phosphorsäure, 2 Teile Wachs.
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Beispiel 3 Ausgangsmaterial: Eine Wachsmischung aus 70 % Hochdruckpolyäthylenwachs
wie in Beispiel 1 20 % teilverseiftes Esterwachs auf Basis eines Montanwachses,
10 % Äthylenbisstearylamid.
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Die mittlere Teilchengröße liegt bei etwa 150/u, die Schmelzviskosität
bei etwa 200 m Pa s und der elektrische Widerstand 4 bei etwa 104 Ohm.
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Versuchsanordnung: Wie in Beispiel 2 Verfahren: Wie in Beispiel 2.
Es wird ein feinteiliges Mattierungsmittel mit einer mittleren Teilchengröße von
6 bis 8/u erhalten.