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Verfahren zur Benetzung von Feststoffteilchen mit einer
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Flüssigkeit
BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur weitgehenden oder völligen Benetzung der Oberfläche von Teilchen aus
einem festen Material mit einer Flüssigkeit, bzw. einem flüssigen Material, unter
Verwendung einer Verarbeitungs-oder Durcharbeit-Vorrichtung, die in einem Arbeitsbereich
der Vorrichtung intermittierende, starke Scherkräfte auf eine Mischung mit dicker,
bzw. breiiger Konsistenz aus dem festen und dem flüssigen Material auszuüben vermag,
bzw. ausübt.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf Erkenntnissen beim Betrieb einer
Verarbeitungsvorrichtung, wie sie in der US-PS 3 806 050 beschrieben ist. Die in
dieser Druckschrift beschriebene Verarbeitungsvorrichtung, bzw.
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Durcharbeitvorrichtung stellt eine ausgezeichnete Mischeinrichtung
dar, die in einem Arbeitsbereich kontinuierlich eine Schicht aus einem Material
mit einer dicken Konsistenz durchzuarbeiten vermag. Die vorliegende Erfindung beruht
nun auf der Erkenntnis, daß man überraschende Vorteile beim Inkontaktbringen fester
Teilchen und Flüssigkeiten in einer intermittierenden, starken Scherkräften ausgesetzten
Mischung mit dicker Konsistenz zu erreichen vermag, wobei unter Ausnützung der bei
dem Durcharbeiten auftretenden Phänomene optimale Arbeitsweisen zur Erzielung verbesserter
Ergebnisse entwickelt werden. Diese optimalen Ergebnisse umfassen eine bessere Benetzung
der Oberfläche der festen Teilchen durch die Flüssigkeit und eine weitergehende
Trennung oder Aufteilung der benetzten Teilchen. So gelingt es mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Verfahrens, eine im wesentlichen vollständige Benetzung der Oberflächen fester Teilchen
mit einer Flüssigkeit wirksamer und schneller zu erreichen, wobei weniger Energie
aufgewandt wird und das Verfahren
statt absatzweise kontinuierlich
betrieben werden kann.
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Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren der eingangs beschriebenen
Art, das durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist.
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Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur weitgehenden oder völligen
Benetzung der Oberflächen von Teilchen aus einem festen Material mit einer Flüssigkeit,
wozu eine Verarbeitungsvorrichtung verwendet wird, die in dem Arbeitsbereich der
Vorrichtung intermittierende, starke Scherkräfte auf eine Mischung mit dicker Konsistenz
aus dem festen und dem flüssigen Material auszuüben vermag.
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Dabei werden die Verarbeitungsvorrichtung kontinuierlich betrieben
und die festen und flüssigen Materialien kontinuierlich über getrennte Zuführungswege
oder Zufünrungsleitungen in den Arbeitsbereich gefördert, so daß die flüssigen und
festen Materialien erst in dem Arbeitsbereich miteinander in Kontakt kommen, wo
sie unter der Einwirkung der durch die Verarbeitungsvorrichtung ausgeübten starken
Scherkräfte schnell miteinander vermischt werden. Die Zuführungsgeschwindigkeiten
der festen und flüssigen Materialien werden derart eingestellt, daß eine minimale
Menge der für das Benetzen der Oberflächen der festen Teilchen erforderlichen Flüssigkeit
verwendet und eine Mischung mit dicker Konsistenz gebildet werden. Die dicke Konsistenz.der
Mischung wird als Widerstand gegen die Wirkung der Verarbeitungsvorrichtung dazu
ausgenützt, intermittierende, starke Scherkräfte zu verursachen, die so schnell
auf die Mischung einwirken, daß Agglomerate aus Teilchen aus dem festen Material
völlig aufgebrochen werden, bevor diese Agglomerate mit der Flüssigkeit durchtränkt
sind. Die dicke Konsistenz der Mischung wird auch dazu ausgenützt, die Wanderung
des festen Materials in der Mischung zu verhindern, so daß die Oberfläche der getrennten
Teilchen mit der Flüssigkeit in der Mischung benetzt werden, bevor die getrennten
Teilchen sich wieder zu Agglo-
meraten rekombinieren, bzw. vereinigen
können.
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Die Erfindung sei im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen: Figur 1 ein schematisches Blockdiagramm
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figur 2 ein
schematisches Blockdiagramm, betreffend die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf eine bevorzugte Ausführungsform einer Verarbeitungsvorrichtung; und Figur 3
eine vergrößerte, schematische Ansicht von Teilchen aus einem festen Material, die
in Form eines Agglomerats vorliegen, das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
aufgebrochen wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Verarbeitungsvorrichtung
oder eine Mischeinrichtung verwendet, die dazu geeignet ist, intermittierende, starke
Scherkräfte auf eine Mischung mit dicker Konsistenz aus festen und flüssigen Materialien
auszuüben. Eine bevorzugte Verarbeitungsvorrichtung dieser Art ist in der US-PS3
806 050 des Anmelders angegeben, wobei sich weitere Einzelheiten bezüglich dieser
Verarbeitungsvorrichtung in den US-Patentschriften 4 020 994 und 4 042 183 des Anmelders
finden. Jedoch läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei Anwendung der intermittierenden,
starken Scherwirkung und der dicken Konsistenz der Mischung auch mit Hilfe anderer
Verarbeitungsvorrichtungen durchführen.
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Die erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzten Verarbeitungsvorrichtungen
werden kontinuierlich betrieben und nützen die relative Bewegung zwischen festen
und bewegten Oberflächen dazu aus, starke Scherkräfte zu verursachen, die intermittierend
auf diskrete Massen oder Bereiche einer Mischung einwirken, wodurch Agglomerate
aus festen Teilchen zerteilt oder aufgebrochen werden. Diese starken
Scherkräfte
können nicht in dem Sinne als kontinuierlich angesehen werden, als Scherkräfte in
fluidem Zustand kontinuierlich sind, da die Wirkung der Scherkräfte das Material
erheblich erhitzen würde, wenn diese kontinuierlich ausgeübt würden. Somit werden
die Scherkräfte erfindungsgemäß intermittierend einwirken gelassen, in dem Sinne,
daß diese Einwirkung schnell und an sich schnell verändernden örtlichen Bereichen
erfolgt, so daß die gesamte Mischung in dem Arbeitsbereich schnell extrem hohen
Scherkräften ausgesetzt wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer Verarbeitungsvorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt einen Arbeitsbereich, in dem
relativ zueinander bewegte Elemente eine zu verarbeitende Mischung dicker Konsistenz
aus festen und flüssigen Materialien erfassen und durcharbeiten. Ein Abschnitt der
Verarbeitungsvorrichtung umfaßt Elemente oder Einrichtungen, die die Masse der Mischung
für die Einwirkung relativ dazu bewegter Elemente oder Bauteile zurückhalten oder
bereithalten, so daß extrem hohe aufbrechende Scherkräfte auf die Agglomerate aus
festen Teilchen in der Masse aus dem den Scherkräften ausgesetzten Material einwirken,
wobei diese starken Scherkräfte intermittierend und schnell in dem gesamten Arbeitsbereich
einwirken gelassen werden, so daß die gesamte Mischung schnell einer extrem starken
Scherwirkung unterworfen wird. Dies kann in zylindrischen, koaxialen Verarbeitungsvorrichtungen
mit einem in einem Stator sich drehenden Rotor sowie auch in Scheibenmühlen, Schleifmühlen
und Mischeinrichtungen oder Verarbeitungsvorrichtungen, die bewegte Elemente oder
Bauteile der verschiedensten Gestalt, einschl. parallel und im Gegensinn zueinander
laufender Bauteile oder Elemente umfassen, erreicht werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden kontinuierlich betriebene
Verarbeitungsvorrichtungen absatzweise betrie-
benen vorgezogen,
wobei erfindungsgemäß die festen und flüssigen Materialien kontinuierlich dem Arbeitsbereich
einer Verarbeitungsvorrichtung zugeführt und in der Verarbeitungsvorrichtung kontinuierlich
durchgearbeitet werden. Dabei besteht der Zweck des Durcharbeitens darin, die Oberflächen
der Teilchen eines festen Materials mit einer Flüssigkeit völlig oder weitgehend
zu benetzen, wobei das feste Material und das flüssige Material kontinuierlich,
jedoch unabhängig voneinander, über getrennte Zuführungswege oder Zuführungsleitungen
dem Arbeitsbereich der Verarbeitungsvorrichtung zugeführt werden, so daß die festen
und flüssigen Materialien erst in dem Arbeitsbereich miteinander in Kontakt kommen.
Dies ergibt sich schematisch aus der Figur 1, aus der zu erkennen ist, daß das feste
Material und das flüssige Material über getrennte Zuführungsleitungen in dosierter
Form zugeführt werden, so daß sie erstmals in der Mischung mit dicker Konsistenz
in der Verarbeitungsvorrichtung miteinander in Kontakt kommen, in der starke Scherkräfte
auf die Mischung einwirken, um die Teilchen zu trennen und zu benetzen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Figur 2 ebenfalls schematisch
dargestellt, die eine kontinuierlich betriebene Verarbeitungsvorrichtung 10 mit
einer Zuführungsleitung 11 für feste Materialien und eine Zuführungsleitung 12 für
flüssige Materialien umfaßt. Beide Zuführungsleitungen 11 und 12 führen unabhängig
voneinander zu einem Arbeitsbereich im Inneren der Verarbeitungsvorrichtung 10,
wobei die Strömungsgeschwindigkeit des festen Materials und des flüssigen Materials
mit Hilfe eines Dosiersystems 13 gesteuert wird, das geeignete Zuführungsgeschwindigkeiten
aufrechterhält. Das Material wird von links nach rechts durch die Verarbeitungsvorrichtung
10 befördert, wobei sowohl das feste Material als auch das flüssige Material in
der Nähe des Einführungsendes des Arbeitsbereiches in die Verarbeitungsvorrichtung
10 einge-
führt werden können, worauf die Materialien durch die
gesamte Länge des Arbeitsbereiches befördert und durchgearbeitet werden, bis sie
an dem Austragsende 14 der Vorrichtung ausgetragen werden. Bei einigen Materialien,
die in Kontakt mit einer Flüssigkeit klebrig oder schwer verarbeitbar werden, wird
die Flüssigkeitszuführungsleitung 12 vorzugsweise von dem Zuführungsende des Arbeitsbereichs
entfernt stromabwärts eingeführt. Das Durchmischen unter Einwirkung von Scherkräften,
das in dem Arbeitsbereich erfolgt, ermöglicht, daß ein Teil der Flüssigkeit in Richtung
auf das Zuführungsende des Arbeitsbereichs wandert, ohne daß er die gesamte Strecke
bis zu dem Zuführungsende des Arbeitsbereiches durchläuft. Dies hat zur Folge, daß
sämtliche klebrigen Materialien auf den Arbeitsbereich beschränkt bleiben und daß
die Ansammlung von klebrigen Materialien am Zuführungsende des Arbeitsbereiches
verhindert wird.
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Das-der Verarbeitungsvorrichtung zugeführte feste Material ist relativ
trocken, wenngleich es eine gewisse Menge der Flüssigkeit enthalten kann. Es ist
jedoch mit der Flüssigkeit nicht völlig in Kontakt gebracht oder an der Oberfläche
benetzt, so daß das feste Material für viele Materialien vorzugsweise in Form von
feinverteilten Teilchen vorliegt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf eine Vielzahl
von festen Materialien und insbesondere auf eine Vielzahl von feinverteilten, teilchenförmigen
festen Materialien oder auch auf Feststoffe angewandt werden, die ohne weiteres
zu Teilchen aufgeteilt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich
auch dazu, eine Vielzahl von flüssigen Materialien, sowohl polarer als auch nichtpolarer
Art, einschL Wasser und viele anderen Flüssigkeiten, mit festen Teilchen in guten
Kontakt zu bringen oder Teilchen mit diesen Flüssigkeiten zu benetzen.
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Viele feinteilige feste Materialien sind pulverförmig
und
enthalten Teilchen, die so klein sind, daß sie ohne weiteres in Form von Stäuben
in der Luft verteilt werden.
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Diese Materialien sind nur schwer in trockener Form in eine Verarbeitungsvorrichtung
einzubringen, da das Pulver stäubt und für das Personal störend oder gefährlich
ist.
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Aus diesen Gründen bevorzugen es die Fachleute in der Regel, die Flüssigkeit
und das Pulver grob miteinander zu vermischen und eine Vormischung aus den festen
und flüssigen Materialien über eine einzige Leitung in die Verarbeitungsvorrichtung
einzuführen. Neben der Lösung des Stäubeproblems kann eine Vormischung aus den flüssigen
und festen Materialien auch das Dosieren des in die Verarbeitungsvorrichtung einzuführenden
Materials vereinfachen und macht die Anwendung lediglich einer einzigen Zuführungsleitung
notwendig. Erfindungsgemäß ist jedoch eine getrennte Zuführung der festen und flüssigen
Materialien in den Arbeitsbereich der Verarbeitungsvorrichtung aus den nachstehenden
Gründen erforderlich.
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Viele teilchenförmige Feststoffe, die mit Flüssigkeiten vermischt
werden, bevor sie starken Scherkräften ausgesetzt werden, werden nicht in dem Maße
fern verteilt und völlig getrennt oder an der Oberfläche mit der Flüssigkeit völlig
benetzt, wie es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht wird, wozu mehrere
mögliche Gründe bestehen. Ein Mechanismus, der eine vollständige Benetzung der Oberfläche
und einen vollständigen Kontakt der Flüssigkeit mit den Feststoffteilchen zu verhindern
neigt, sind Van-der-Waals-Kräfte, bei denen es sich um interatomare oder intermolekulare
Anziehungskräfte zwischen Teilchen handelt. Die Van-der-Waals-Kräfte halten kleine
Zusammenballungen oder Agglomerate aus Teilchen zusammen, wobei diese Kräfte der
siebten Potenz des Abstandes zwischen den Teilchen umgekehrt proportional sind,
so daß sie überwiegend dann zum Tragen kommen, wenn die Teilchen sich berühren oder
sehr nahe benachbart sind. Da die feinverteilten festen Teilchen durch das Umwälzen
oder
Gleiten miteinander in Kontakt kommen, wie es notwendigerweise bei der Bewegung
oder dem Verarbeiten des Materials erfolgt, erreicht ein wesentlicher Anteil der
Teilchen eine Stellung gegenüber anderen Teilchen, die dazu geeignet ist, daß Van-der-Waals-Kräfte
dazu ausreichen, kleine Agglomerate zu bilden bzw. aufrechzuerhalten.
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Es ist beispielsweise mit Hilfe einer Kolloidmühle möglich, Kräfte
einwirken zu lassen, die dazu ausreichen, die Van-der-Waals-Kräfte zu überwinden
und die Teilchen voneinander zu teilen, wobei automatisch unter der Einwirkung der
Van-der-Waals-Kräfte neue Agglomerate gebildet werden in dem Augenblick, da die
getrennten Teilchen wieder mit anderen Teilchen in Kontakt kommen. Die herkömmlichen
Mischmethoden sind im allgemeinen nicht dazu geeignet, die Teilchen eines festen
Materials im wesentlich vollständig voneinander zu trennen und ihre gesamten Oberflächen
mit der Flüssigkeit zu benetzen, ohne daß kleine Teilchenagglomerate zurückbleiben.
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Ein weiteres Problem ist darin zu sehen, daß kleine Agglomerate aus
festen Teilchen Zwischenräume besitzen, die sich mit der Flüssigkeit füllen können,
wodurch die Agglomerate noch schwieriger aufzutrennen oder zu zerkleinern sind.
Dies ergibt sich schematisch aus der Figur 3, die erkennen läßt, daß feste Teilchen
20 zu Agglomeraten 22 vereinigt sind, die Zwischenräume oder Zwischenteilchenbereiche
21 aufweisen, die mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, die das Zusammenhalten der
Teilchen 20 in Form der Agglomerate 22 begünstigen. Die Oberflächenspannung der
Flüssigkeit und andere Oberflächenphänomene, die zwischen den Teilchen oder zwischen
den Teilchen und der Flüssigkeit vorherrschen, wenn die Flüssigkeit die Zwischenräume
der Agglomerate ausfüllt, führen zu einer Steigerung der die Agglomerate zusammenhaltenden
Kräfte, so daß wesentlich größere Kräfte oder ein wesentlichhoherer Energieaufwand
notwendig sind, die durchtränkten Agglomerate aus festen Teilchen aufzutrennen als
es bei trockenen
Agglomeraten der Fall ist.
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Weitere, nicht völlig aufgeklärte Phänomene beeinflussen ebenfalls
die Benetzung der Oberflächen von Teilchen mit einer Flüssigkeit. Einige feste Materialien
vereinigen sich mit Flüssigkeiten, wobei Flüssigkeitsmengen erforderlich sind, die
größer sind als die Menge, die zur Benetzung der Oberfläche der Teilchen erforderlich
ist, wobei diese Feststoff/Flüssigkeits-Kombinationai auch chemischen und elektrischen
Kräften unterliegen können. Bei dem erfindungsgemäßn Verfahren wird vorzugsweise
nur die Menge der Flüssigkeit verwendet, die dazu erforderlich ist, die Oberflächen
der-festen Teilchen vollständig zu benetzen, wobei sichergestellt wird, daß dies
schnell erfolgt, bevor sich die Teilchen in irgendeiner Weise mit einer größeren
Menge der Flüssigkeit vereinigen können.
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Das Inkontaktbringen oder Benetzen von festen Teilchen mit einer Flüssigkeit
kann eine Vielzahl anderer Probleme aufwerfen, die bestimmten Feststoffen und Flüssigkeiten
eigen sind. Bei einigen Materialien können chemische Reaktionen zwischen der festen
und der flüssigen Phase auftreten, wobei der vollständige Ablauf oder die Gleichmäßigkeit
der Reaktionen davon abhängt, wie gut die Teilchen voneinander getrennt und benetzt
oder mit der Flüssigkeit in Kontakt gebracht worden sind. Ein Beispiel hierfür sind
Zement und Wasser. Andere Materialien bilden kleine Agglomerate oder Kügelchen aus
festen Teilchen, die in Kontakt mit einer Flüssigkeit an ihrer Oberfläche feuchte
und'glitschige Schichten bilden, was zur Folge hat, daß diese Agglomerate noch schlechter
aufgebrochen werden können. Ein Beispiel hierfür ist polyanionische Cellulose.
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Weitere Materialien vereinigen sich in unterschiedlicher Weise mit
unterschiedlichen Zahlen von Flüssigkeitsmolekülen, so daß das Ausmaß der Trennung
und des Kontakts der festen Teilchen mit der Flüssigkeit das chemische Verhalten
des Endprodukts beeinflußt. Ein Beispiel hierfür sind
Calciumsulfatteilchen,
die sich mit- einem, zwei oder zehn Wassermolekülen vereinigen können, wobei sich
deutlich verschiedene Endprodukte bilden. Die Wirksamkeit, mit der die Teilchen
getrennt und der Flüssigkeitskontakt bewirkt werden, können die als Ausgangsmaterial
gebildeten Produkte beeinflussen.
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Ein weiteres Phänomen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Scherwirkung,
die als Differential der Geschwindigkeit gegen den Weg (dV/dX) definiert ist. Die
erfindungsgemäß angewandten Scherkräfte sind extrem hoch, da sie den Grenzwert erreichen,
da sie zwangsläufig intermittierend in schmalen Bereichen ausgeübt werden, wo die
Werte für den Weg bzw. den Abstand (dX) relativ klein werden. Die intermittierende
starke Scherwirkung, die in dem Arbeitsbereich der erfindungsgemäß angewandten Verarbeitungsvorrichtung
ausgeübt wird, führt zu einer Auftrennung in Scherzonen, die sich vorzugsweise schnell
durch den Arbeitsbereich bewegen. Um eine solche starke Scherwirkung zu ermöglichen,
ist eine geeignete dicke Konsistenz der Feststoff/Flüssigkeits-Mischung erforderlich,
was mit den Teilchen in trockenem Zustand und mit weniger viskosen, fluiden Zuständen
nicht erreicht werden kann.
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In festem Zustand werden die Teilchen ohne weiteres aneinander vorbei
bewegt, gerührt oder geschoben, so daß keine Scherwirkung innerhalb kleiner Teilchenagglomerate
ausgeübt wird. Die Scherwirkung erfolgt lediglich in den Lufträumen zwischen den
Teilchen oder den Agglomeraten, wobei die Agglomerate durch keinen Widerstand gegenüber
den Scherwirkungen zurückgehalten werden, so daß die Rührwirkung, die Durcharbeitungswirkung
und andere Relativbewegungen nicht dazu ausreichen, die Agglomerate zu trennen und
ausreichende Scherkräfte auf sie einwirken zu lassen.
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In fluidem Zustand sind die Scherkräfte an der Oberfläche eines mit
hoher Geschwindigkeit betriebenen Rührers gleich Null und steigen innerhalb einer
kurzen Entfernung von dem Rührer auf einen Maximalwert an, wonach sie im allgemeinen
mit zunehmendem Abstand von dem Rührer auf Null wieder abnehmen. Von dem Rührer
erstreckt sich ein erheblicher Turbulenzbereich in die Flüssigkeit, wobei die Scherkräfte
von Molekül zu Molekül über einen erheblichen Abstand in der Flüssigkeit weitergegeben
werden, so daß der dX-Wert relativ groß ist. Selbst wenn der Wert von dV groß ist,
ergibt sich wegen des großen Wertes von dX eine geringe Scherwirkung, die nicht
dazu ausreicht, die Agglomerate aufzubrechen.
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Die intermittierende, starke Scherwirkung, die bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren auf eine Mischung dicker Konsistenz aus der Flüssigkeit und den festen
Teilchen ausgeübt wird, reicht jedoch ohne weiteres dazu aus, kleine Teilchenagglomerate
aufzubrechen und voneinander zu trennen, da die dicke Konsistenz der Mischung das
feste Material an Ort und Stelle festlegt, so daß die ultrastarken Scherkräfte oder
Aufbrechkräfte zur Einwirkung gelangen können. Die Verarbeitungsvorrichtung muß
ein solches Fassungsvermögen besitzen, daß eine intermittierende, starke Scherwirkung-
auf die Mischung mit dicker Konsistenz ausgeübt werden kann, wobei eine ausreichend
dicke Konsistenz dazu erforderlich ist, daß die Mischung der starken Scherwirkung
ausgesetzt werden kann. Weiterhin wird die starke Scherwirkung vorzugsweise in sich
schnell bewegenden Zonen ausgeübt, die den Arbeitsbereich schnell durchlaufen, so
daß das gesamte, in dem Arbeitsbereich vorliegende Material schnell der Scherwirkung
unterworfen ist, ohne daß das Material die Möglichkeit besitzt, den in dem Arbeitsbereich
einwirkenden Scherkräften auszuweichen.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf die Mi-
schung
aus der Flüssigkeit und den festen Teilchen ausgeübte starke Scherwirkung wird vorzugsweise
auch dazu verwendet, die festen und flüssigen Materialien miteinander zu vermischen.
Dies bedeutet im allgemeinen, daß das Vermischen nur dann erfolgt, wenn die Scherkräfte
zur Einwirkung kommen. Diese starke Scherwirkung kann nicht gleichzeitig oder kontinuierlich
in dem gesamten Arbeitsbereich zur Einwirkung gebracht werden, so daß sich vorzugsweise
relativ kleine und schnell bewegende Zonen mit starker Scherwirkung schnell durch
den Arbeitsbereich bewegen. Das Material, auf das im Augenblick keine starken Scherkräfte
einwirken, bleibt lediglich ruhig an Ort und Stelle und unterliegt keinem Durchmischen,
bis Scherkräfte auf das Material einwirken. Dies bedeutet, daß kleine Agglomerate
aus festen Teilchen mit der Flüssigkeit unvermischt und unbenetzt bleiben, bis die
Scherkräfte zur Einwirkung gelangen, wobei wegen der dicken Konsistenz der Mischung
die augenblicklichen Scherkräfte dazu ausreichen, die Teilchen kleinerer Agglomerate
zu trennen. In der Tat werden die festen und flüssigen Materialien, die in der Arbeitszone
miteinander in Kontakt kommen, schnell unter der Einwirkung der Scherkräfte zu einer
Mischung dicker Konsistenz vermischt, in welcher Form die Materialien zwischen den
Einwirkungen der starken Scherkräfte verbleiben, welche Scherkräfte zugleich die
Agglomerate aufbrechen und die Materalien weiter miteinander vermischen.
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Eine weitere Funktion der dicken Konsistenz der Mischung aus den festen
und flüssigen Materialien besteht darin, eine Wanderung der Feststoffe innerhalb
der Mischung zu verhindern. Die Feststoffe bleiben im allgemeinen an Ort und Stelle,
bis sie unter der Einwirkung der Scherkräfte bewegt werden, was bedeutet, daß die
aus den Agglomeraten freigesetzten Teilchen dazu neigen, getrennt zu bleiben, da
sie in der Mischung mit dicker Konsistenz vorliegen und weitgehend unbeweglich sind.
Die Flüssigkeit ist je-
doch fließfähiger als die festen Teilchen,
so daß sie durch die Mischung mit dicker Konsistenz wandern kann, was zur Folge
hat, daß die getrennten festen Teilchen, die relativ unbeweglich in der Mischung
vorliegen, an ihren Oberflächen mit der Flüssigkeit benetzt werden. Somit hat die
dicke Konsistenz der Mischung nicht nur zur Folge, daß eine starke Scherwirkung
ausgeübt wird, die dazu ausreicht, die Agglomerate aufzubrechen, sondern sie besitzt
auch die Wirkung, daß die Teilchen in den Intervallen zwischen der Einwirkung der
Scherkräfte getrennt und unbeweglich bleiben, so daß die Teilchen ohne weiteres
durch die wandernde Flüssigkeit benetzt werden und kaum die Möglichkeit besitzen,
sich zu Agglomeraten zu vereinigen.
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Eine Oberflächenschicht aus flüssigen Molekülen auf einem festen Teilchen
vermag offenbar die Van-der-Waals-Kräfte daran zu hindern, Agglomerate aus benetzten
Teilchen zu bilden. Der hierbei auftretende Mechanismus kann eine Veränderung der
elektrischen Eigenschaften des Teilchens an seiner Oberfläche nach dem Benetzen
mit der Flüssigkeit sein, wodurch die Van-der-Waals-Kräfte in wirksaer Weise desaktiviert
oder vermindert werden, wobei die Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche der benetzten
Teilchen auch in geringem Umfang den Abstand zwischen den Teilchen vergrößern und
damit die Van-der-Waals-Kräfte verringern kann. In allen Fällen lassen die experimentellen
Erkenntnisse darauf schließen, daß benetzte Teilchen sich nicht ohne weiteres wieder
zu Agglomeraten vereinigen und daß die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
benetzten Teilchen besser aufgeteilt und besser voneinander getrennt sind als es
mitHilfe herkömmlicher Verfahren zu erreichen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
verursacht nicht nur die starken Scherkräfte, die dazu erforderlich sind, die Agglomerate
aufzutrennen, die durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden, sondern ergibt
auch eine Mischung dicker Konsistenz, die eine Matrix bildet, die
die
Teilchen an einer Wanderung hindert, so daß die getrennten Teilchen mit der Flüssigkeit
benetzt werden und daran gehindert werden, sich unter der Einwirkung von Van-der-Waals-Kräften
zu Agglomeraten zu vereinigen.
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Die starke Scherwirkung wird erfindungsgemäß vorzugsweise schnell
einwirken gelassen, so daß die Zonen starker Scherwirkung sich schnell genug durch
den Arbeitsbereich bewegen, um auf das gesamte Material der Mischung mit dicker
Konsistenz einwirken zu können. Dies stellt sicher, daß im wesentlichen sämtliche
Agglomerate einer starken Scherkraft unterliegen, bevor sie so viel Zeit in der
Mischung verbracht haben, daß sie völlig mit der Flüssigkeit, die den Zusammenhalt
der Teilchen begünstigen würde, benetzt oder durchtränkt worden sind. Um sicherzustellen,
daß die Agglomerate nicht mit der Flüssigkeit durchtränkt werden, wird die Zuführungsgeschwindigkeit
des flüssigen Materials vorzugsweise in bezug auf die Zuführungsgeschwindigkeit
des festen Materials derart eingestellt, daß nur die minimale Menge der Flüssigkeit
verwendet wird, die dazu notwendig ist, die Oberflächen der festen Teilchen zu benetzen.
Der Mangel überschüssiger Flüssigkeit in der Mischung verhindert das Durchtränken
der Agglomerate und das Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Teilchen der Agglomerate
mit der Flüssigkeit, wobei die Anwesenheit der für die Benetzung der Teilchenoberfläche
minimal erforderlichen Menge sicherstellt, daß die Mischung eine ausreichend dicke
Konsistenz besitzt, die dazu erforderlich ist, der Wirkung der Verarbeitungsvorrichtung
zu widerstehen und eine Scherwirkung zu ergeben, die dazu ausreicht, die Agglomerate
aufzubrechen. Das Einwirkenlassen der starken Scherkräfte intermittierend in sich
schnell bewegenden Zonen stellt sicher, daß die Agglomerate ausreichend starken
Scherkräften unterliegen, die dazu ausreichen, die Agglomerate aufzubrechen, bevor
sie während eines längeren Zeitraums in der Mischung mit dicker Konsistenz
verweilt
haben. Wenn man die Scherkräfte zu langsam einwirken läßt, ist mehr Energie notwendig,
um die Agglomerate aufzubrechen, die ausreichend Zeit zur Verfügung hatten, gut
benetzt zu werden, bevor die Scherkräfte zur Einwirkung gelangen.
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Das Vermischen der festen und flüssigen Materialien vor dem Einführen
in den Arbeitsbereich der Verarbeitungsvorrichtung, in welchem Arbeitsbereich sie
der starken Scherwirkung unterliegen, beeinträchtigt das Inkontaktbringen und das
Benetzen mit der Flüssigkeit und führt zu schlechteren Ergebnissen. Eine solche
Vormischung aus festen und flüssigen Materialien kann eine ausreichend dicke Konsistenz
besitzen, so daß die Mischung einer starken Scherwirkung unterworfen werden kann,
wobei sich jedoch überraschend andersartige Ergebnisse einstellen. Ein Grund hierfür
ist darin zu sehen, daß das Vermischen der Flüssigkeit mit den festen Teilchen vor
der Einwirkung der starken Scherkräfte dazu führt, daß kleine Agglomerate aus festen
Teilchen ungestört und ungetrennt verbleiben, so daß diese Agglomerate mit der Flüssigkeit
durchtränkt werden, die die Zwischenräume zwischen den Teilchen ausfüllt und zur
Folge hat, daß die Agglomerate schlechter aufgebrochen, bzw. auf geteilt werden
können. Man kann Agglomerate aus bestimmten festen Materialien trotz dieses Vorgehens
aufbrechen, allerdings nur auf Kosten eines erheblich größeren Energieaufwands,
wobei kleine Agglomerate aus anderen festen Materialien dem erfindungsgemäßen Verfahren
zu widerstehen vermögen, wenn sie mit der Flüssigkeit durchtränkt worden sind, bevor
sie der Einwirkung der starken Scherkräfte unterliegen. Weiterhin werden feste Materialien,
die sich chemisch mit definierten Mengen der Flüssigkeit oder elektrisch oder in
anderer Weise mit überschüssiger Flüssigkeit vereinigen, und feste Materialien,
die Sügelchen oder Agglomerate mit glitschig benetzten äußeren Oberflächen und trockenem
Inneren bilden, wesentlich leich--
ter und zuverlässiger aufgebrochen
und mit der Flüssigkeit benetzt, wenn der Feststoff/Flüssigkeits-Kontakt erstmals
in Gegenwart der starken Scherwirkung erfolgt, die erfindungsgemäß in dem Arbeitsbereich
der Verarbeitungsvorrichtung zur Einwirkung gebracht wird.
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Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, ergibt das erfindungsgemäße
Verfahren entweder ein wesentlich verbessertes Endprodukt mit erheblich mehr im
wesentlichen voneinander getrennten Teilchen und wesentlich weniger Agglomeraten
wobei die Oberflächen der festen Teilchen wesentlich besser mit der Flüssigkeit
benetzt sind, oder führt unter Anwendung eines wesentlich geringeren Energieaufwandes
zu dem zu erwartenden Produkt.
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Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
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Beispiel 1 Unter Anwendung der in der US-PS 3 806 050 beschriebenen
Vorrichtung bildet man manuell eine Mischung aus etwa 77 Gew.-% Titandioxid und
23 Gew.-% entionisiertem Wasser, so daß man eine Vormischung bildet, indem der Kontakt
zwischen der Flüssigkeit und dem Feststoff erfolgt, bevor man die Mischung in die
Verarbeitsvorrichtung einbringt. Die Viskosität des erhaltenen Materials, die mit
Hilfe eines Brookfield-Viskosimeters mit der Spindel Nr. 6 bestimmt wird, ergibt
sich wie folgt: Brookfield-Viskosität (Spindel Nr. 6) ~ 1 Viskosität (cP) 10 71
500 20 42 100 50 20 000+ 100 10 000+
Dann führt man erfindungsgemäß
etwa 77 Gew.-% Titandioxid in die Verarbeitungsvorrichtung ein, in dessen Arbeitsbereich
das Material kontinuierlich mit etwa 23 Gew.-% entionisiertem Wasser vereinigt wird.
Die Viskosität des erhaltenen Materials ist wesentlich geringer, wie aus der nachstehenden
Tabelle hervorgeht: Brookfield-Viskosität (Spindel Nr. 6) min 1 Viskosität (cP)
10 40 000 20 19 400 50 6 220 100 3 700 Die obigen Ergebnisse lassen ohne weiteres
erkennen, daß man bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Benetzung der
Oberfläche von Titandioxid mit der Flüssigkeit bei einem gleichen Prozentsatz des
in der Flüssigkeit dispergierten Feststoffs ein Endprodukt mit wesentlich geringerer
Viskosität erhält, was auf eine feinere Verteilung der Teilchen oder eine bessere
Auftrennung der Teilchenagglomerate hinweist Beispiel 2 Man vermischt etwa 62,5
Gew.-t calcinierten Kaolinton und etwa 37,5 Gew.-% entionisiertes Wasser manuell,
so daß der Kontakt der Flüssigkeit mit dem Feststoff erfolgt, bevor man die Mischung
in die Verarbeitungsvorrichtung einbringt. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse vergleicht
man mit dem Fall, gemäß dem man etwa 62,5 Gew.-% calcinierten Kaolinton getrennt
von dem Wasser in die Verarbeitungsvorrichtung einführt, in deren Arbeitsbereich
man das Material kontinuierlich mit etwa 37,5 Gew.-% entionisiertem Wasser vereinigt.
Die Viskositäten der als Ausgangsmaterialien erhaltenen Dispersion sind im wesentlichen-vergleichbar,
wobei jedoch etwa der dreifache Energieaufwand erforderlich ist, die Ma-
terialien
durch Scherwirkung aufzutrennen und zu vermischen, die man vor dem Einbringen in
den Arbeitsbereich der Verarbeitungsvorrichtung einem Flüssigkeits/ Feststoff-Kontakt
unterworfen hat, im Vergleich zu der erfindungsgemäßen Arbeitsweise, gemäß der die
festen und flüssigen Materialien erstmals in dem Arbeitsbereich der Verarbeitungsvorrichtung
miteinander in Kontakt kommen. Diese Ergebnisse lassen erkennen, daß für die in
Rede stehenden Materialien wesentlich weniger Energie dazu erforderlich ist, die
Agglomerate aufzutrennen und die Oberflächen der aus den Agglomeraten freigesetzten
Teilchen zu benetzen, wenn man das erfindungsgemäße Verfahren anwendet, als wenn
man die festen und flüssigen Materialien vorvermischt und ein Durchtränken der Agglomerate
mit der Flüssigkeit zuläßt.
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Das Inkontaktbringen von Cellulosefasern mit Peroxiden führt ebenfalls
zu stark unterschiedlichen Ergebnissen, wenn man die festen und flüssigen Materialien
erfindungsgemäß erst im Mischbereich der Verarbeitungsvorrichtung in Kontakt kommen
läßt. Wenn man das Peroxid während längerer Zeit mit den Cellulosefasern in Kontakt
läßt, währenddem sich die Materialien auf dem Weg zu dem Mischbereich befinden,
in dem die starke Scherwirkung ausgeübt wird, ergibt sich eine Reaktion erheblicher
Mengen des Peroxids mit einigen der Fasern, so daß keine ausreichende Peroxidmenge
mehr vorhanden ist, sämtliche Fasern zu bleichen, so daß die Helligkeit bzw. der
Weißgrad des Endprodukts wesentlich geringer ist im Vergleich zu dem Produkt, das
man dann erhält, wenn man erfindungsgemäß das Peroxid erstmals in dem Arbeitsbereich
der Verarbeitungsvorrichtung in Kontakt kommen läßt, in dem die starke Scherwirkung
zur Einwirkung gelangt.
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Dies bedeutet natürlich, daß man den gewünschten Weißgrad bei Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer geringeren Peroxidmenge erzielen kann.
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Auch das Dispergieren von Bentonitton in Wasser macht wesentlich größere
Energiemengen erforderlich, wenn man den Bentonitton und das Wasser grob vermischt
und aufeinander einwirken läßt, bevor man das Material in den Arbeitsbereich einführt
und starken Scherkräften unterwirft. Bentonitton ist ein quellfähiges Material,
dessen Teilchenagglomerate wesentlich mehr Energieaufwand zur Trennung benötigen,
wenn sie mit einer Flüssigkeit durchtränkt werden, bevor sie den Bereich der Verarbeitungsvorrichtung
erreichen, in dem die starken Scherkräfte zur Einwirkung gelangen.
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Die Verhältnisse von festen und flüssigen Materialien, die beim Inkontaktbringen
bestimmter Feststoffe mit bestimmten Flüssigkeiten angewandt werden müssen, können
innerhalb weiter Bereiche variieren, wie dem Fachmann ohne weiteres geläufig ist.
Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf das Inkontaktbringen
solcher Materialien entsprechend angepaßt werden.
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L e e r s e i t e