DE3327137A1

DE3327137A1 - Verfahren zur herstellung von fluessigen teilchen einer dispergierten loesung

Info

Publication number: DE3327137A1
Application number: DE19833327137
Authority: DE
Inventors: Masami Hino Tokyo Akiyama; Gentaro Hachioji Tokyo Hada; Yoko Kunitachi Tokyo Nishimura
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1982-08-05
Filing date: 1983-07-27
Publication date: 1984-02-09
Also published as: JPS5926129A

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zur
Herstellung von flüssigen Teilchen einer dispergierten Lösung in einem Dispersionsmittel.
Bei bisherigen Vorrichtungen dieser Art werden flüssige Teilchen einer dispergierten Lösung durch Zugabe eines Dispersionsmittels zu der zu dispergierenden Lösung in einem zweckmäßigen Verhältnis in einem Lösungsbehälter vermischt und das Gemisch mittels einer Dispergiereinrichtung, etwa eines statischen Mischers, eines Homogenisierapparat oder einer Kolloidmühle, bewegt bzw. gerührt. Wenn bei solchen Vorrichtungen von Anfang an eine starke Dispergierwirkung in kurzer Zeit auf das Gemisch ausgeübt wird, so hat dies einen ungünstigen (extreme) Einfluß auf die noch nicht vollständig zu Teilchen umgeformte dispergierte Lösung, so daß deren flüssige Teilchen eine weite Teilchengrößenverteilung mit zahlreichen sehr kleinen Teilchen erhalten. Aus diesem Grund erweist es sich als notwendig, die Kraft der Dispergierwirkung zunächst schwach zu wählen und dann allmählich zu vergrößern, um (damit) die Entstehung sehr kleiner Teilchen zu verhindern und eine enge Teilchengrößenverteilung zu erreichen. Zur Gewährleistung dieser Ergebnisse muß der Dispergiervorgang chargenweise durchgeführt werden; dabei ist es jedoch nötig, die Dispergierwirkung in den einzelnen Stufen fortzusetzen, bis der Dispersionszustand ausreichend gesättigt ist. Anderenfalls würden sich kleine Teilchen auf dieselbe Weise wie dann bilden, wenn eine starke Dispergierwirkung von Anfang an ausgeübt wird, was zu einer weiteren Teilchengrößenverteilung führt.
Die Erzielung einer gleichmäßigen Dispersion und einer engen Teilchengrößenverteilung nimmt also viel Zeit in Anspruch; außerdem ergibt sich dabei das Problem, daß die Gewinnung der erforderlichen Menge dieser flüssigen Teilchen in einem chargenweise arbeitenden System schwierig ist.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten Vorrichtung zur Herstellung von flüssigen Teilchen einer dispergierten Lösung unter Vermeidung der vorstehend geschilderten Probleme und unter Gewährleistung einer sehr engen Teilchengrößenverteilung.
Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Innenzylinder und ein Außenzylinder vorgesehen sind, die mit unterschiedlichen Drehzahlen bzw. relativ zueinander drehbar sind, wobei eine auf ein Gemisch aus einem Dispersionsmittel und einer dispergierten Lösung, das unter Aufrechterhaltung einer Quetschströmung (plug-flow) durch einen Spalt zwischen Innen- und Außenzylinder strömt, ausgeübte Scherbelastung oder -beanspruchung fortlaufend oder stufenweise allmählich variiert wird, so daß eine gleichmäßige Dispersion der flüssigen Teilchen mit engerer Teilchengrößenverteilung erzielt wird. Als Folge dieser Eigenschaften können mit dieser Vorrichtung kontinuierlich flüssige Teilchen gleichmäßiger Teilchengröße aus der dispergierten Lösung gewonnen werden.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 bis 5 Teilschnittansichten anderer Ausführungsformen von Innen- und Außenzylinder der Vorrichtung und Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Gewicht und Teilchengröße.
Gemäß Fig. 1 werden ein Dispersionsmittel und eine zu dispergierende Lösung in zweckmäßigem Mischverhältnis in einem Mischbehälter 1 gemischt. Die so gemischte Lösung wird mittels einer Dispergiereinrichtung 2 so dispergiert, daß sich Teilchen einen: zweckmäßigen Größe bilden.Bevorzugt besitzt das auf diese Weise hergestellte Dispersionsgemisch einen homogen gemischten Zustand. Das Gemisch wird sodann mittels einer Pumpe 3 in den Spalt zwischen einem Außenzylinder 4 und einem Innenzylinder 5 über einen Einlaß 4a in einem unteren Abschnitt kleinen Durchmessers der Vorrichtung eingeführt. Im Außenzylinder 4 wird der trommelförmige Innenzylinder 5 mittels einer Welle 5a in Drehung gesetzt.
Die Mischlösung tritt in einen Spalt an der Mantelfläche des Innenzylinders 5 über einen Spalt zwischen seiner Unterseite und dem Außenzylinder 4 ein, um dann in einen Spalt (Zwischenraum) an der Oberseite des Innenzylinders 5 einzutreten und über einen Auslaß 4b in einem oberen Abschnitt kleinen Durchmessers der Vorrichtung aus dieser auszutreten, worauf das Gemisch über ein Ventil 6 zu einem nicht dargestellten Sammelbehälter überführt wird. Während dieses Vorgangs wirkt auf die Mischlösung, die den Spalt unter der Unterseite des Innenzylinders 5 passiert, eine sich allmählich vergrößernde Scherbelastung bzw. -beanspruchung aufgrund der Umfangsgeschwindigkeit des Innenzylinders 5 ein. Infolgedessen wird das Gemisch anfänglich keiner übermäßigen Scherbeanspruchung unterworfen, so daß aus der dispergierten Lösung unter Vermeidung der Entstehung sehr kleiner Teilchen allmählich Teilchen gebildet werden. Wenn die Lösung den Spalt an der Mantelfläche des Innenzylinders 5 erreicht, wird sie einer stabilen bzw. gleichbleibenden Scherbeanspruchung unterworfen, weil die Umfangsgeschwindigkeit des Innenzylinders5 in diesem Bereich konstant ist. Die Lösung wird dabei vergleichmäßigt, wobei die Teilchen bezüglich ihrer Größe an die vorher gebildeten kleinen Teilchen angepaßt werden. Das den Spalt an der Mantelfläche des Innenzylinders 5 passierende Gemisch wird somit zu einer Flüssigkeit umgewandelt, die gleichmäßig große Teilchen der dispergierten Lösung enthält.
Der Dispersionszustand des Gemisches ändert sich nach dem Durchgang durch den Spalt an der Mantelfläche des Innenzylinders 5 nicht, weil anschließend die durch die Drehung des Innenzylinders 5 ausgeübte Scherbeanspruchung abnimmt. Die flüssigen Teilchen der dispergierten Lösung in dem über das Ventil 6 ausgetragenen Gemisch besitzen infolgedessen eine enge Teilchengrößenverteilung. Außerdem kann mittels des Ventils 6 die Verweilzeit des Gemisches in der Vorrichtung zwecks Einstellung der Teilchengrößenverteilung der dispergierten flüssigen Teilchen gesteuert werden.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist der Innenzylinder 5 kreiselförmig ausgebildet, so daß im Spalt zwischen seiner Kegelfläche und dem (konischen) Außenzylinder 4 eine sich allmählich erhöhende Scherbeanspruchung auf das Gemisch ausgeübt wird. Mit dieser Ausführungsform können ebenfalls dispergierte flüssige Teilchen enger Teilchengrößenverteilung gewonnen werden.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 ist der Innenzylinder ähnlich einer abgestuften Riemenscheibe ausgebildet. Während die auf das Lösungsgemisch einwirkende Scherbeanspruchung im Zwischenraum an der Mantelfläche jeder Stufe konstant ist, wirkt in den radialen Zwischenräumen (in Richtung auf den Außenumfang) jeder Stufe eine allmählich ansteigende Scherbeanspruchung auf das Lösungsgemisch ein.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 besitzt der Außenzylinder 4 einen konstanten Innendurchmesser, während der Innenzylinder 5 in Form einer konischen Trommel ausgebildet ist. Dabei verändert sich der Spalt bzw. Zwischenraum zwischen Außen- und Innenzylinder, und das Lösungsgemisch strömt aus einem Bereich eines weiteren Spalts in einen engeren Spalt ein. Im Verlauf der Strömung des Lösungsgemischs vergrößert sich die Umfangsgeschwindigkeit des Innenzylinders 5 und verkleinert sich die Weite des vom Gemisch durchströmten Spalts, so daß sich die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches erhöht und damit die auf dieses ausgeübte Scherbeanspruchung allmählich ansteigt.
Im Gegensatz zu Figur 4 veranschaulicht Figur 5 eine Ausführungsform, bei welcher sich der Innendurchmesser des Außenzylinders 4 konisch bzw. kegelförmig ändert, während der Innenzylinder 5 die Form einer Trommel gleichmäßigen Durchmessers besitzt. Während bei dieser Ausführungsform die Umfangsgeschwindigkeit des Innenzylinders 5 konstant ist, verengt sich der Spalt im Strömungsverlauf des Lösungsgemisches. Infolgedessen erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit bei allmählicher Zunahme der auf die Lösung ausgeübten Scherbeanspruchung.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird somit ein Lösungsgemisch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung einer sich allmählich oder fortlaufend ändernden Scherbeanspruchung unterworfen, so daß dispergierte flüssige Teilchen einer engen Teilchengrößenverteilung kontinuierlich hergestellt werden können. Bei den beschriebenen Ausführungsformen liegen die Spaltbreiten zwischen Innen- und Außenzylinder vorzugsweise in der Größenordnung von 0,1 bis 10mm.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere für die Herstellung von Tonerteilchen für elektrophotographische Zwecke sowie Mattiermittelteilchen für photographische Filme und dergleichen. Ein aus gleichmäßig großen Teilchen bestehender Toner bzw. ein Mattiermittel kann aus einer Lösung von Bestandteilen des Toners oder Mattiermittels, wie Kohlenstoff usw., und eines Polymerisation-Anspringmittels in einem monomeren Kunstharz sowie einem durch Eintragen eines Dispersionsstabilisators in Wasser hergestellten Dispersionsmittels und durch Polymerisieren und Aushärten der flüssigen Teilchen der dispergierten Lösung durch Erwärmen eines Lösungsgemisches in einem Auffang- oder Sammelbehälter oder Erwärmen des durch das Ventil 6 strömenden Lösungsgemisches gewonnen werden.
Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Beispiels und eines Vergleichsbeispiels näher erläutert.
Beispiel Die Erzeugung dispergierter flüssiger Teilchen erfolgt mittels einer Lösung, die durch Zugabe einer zweckmäßigen Menge von Benzoylperoxid als Polymerisationskatalysator zu einem Styrolmonomeren zubereitet worden ist, und eines Dispersionsmittels, das durch Zugabe einer zweckmäßigen Menge eines Polyvinylalkohols und/oder von Natriumdodecylbenzolsulfonat als Dispersionsstabilisator zu destilliertem Wasser zubereitet worden ist. Das Verhältnis von Lösung zu Dispersionsmittel beträgt 3:7.
Die Lösung wird im Mischbehälter der Vorrichtung gemäß Figur 1 in Form von Teilchen einer Größe von etwa 200 m im Dispersionsmittel vordispergiert. Das vordispergierte Lösungsgemisch wird mit einer Strömungs- oder Durchsatzmenge von 1 1/min der Vorrichtung zugeführt, deren Innenzylinder mit 2500/min umläuft. Die über das Ventil (6) austretenden dispergierten flüssigen Teilchen besitzen eine sehr gleichmäßige Teilchengröße von etwa 20 am. Aus diesem Lösungsgemisch kann ein Pulver einer sehr engen Teilchengrößenverteilung gewonnen werden.
Vergleichsbeispiel Eine Lösung aus einer zweckmäßigen Menge Benzoylperoxid als Polymerisationskatalysator in 300 ml Styrolmonomeres und ein Dispersionsmittel aus einer zweckmäßigen Menge Polyvinylalkohol und/oder Natriumdodecylbenzolsulfonat als Dispersionsstabilisator in 700 ml destillierten Wassers werden in einen Flüssigkeitsbehälter eingebracht und mittels eines handelsüblichen Homogenisier-Strahlmischapparats (HOMO-JETTER) miteinander vermischt, wobei die Turbinendrehzahl des Mischapparats von anfänglich 1000/min in Schritten von 1000/min stufenweise bis zu einer Enddrehzahl von 4000/min erhöht wird. Jede Drehzahlstufe wird 20 Minuten lang eingehalten.
Die auf diese Weise hergestellten dispergierten flüssigen Teilchen besitzen eine mittlere Teilchengröße von 20 #m.
Die Teilchengrößenverteilungen der nach dem erfindungsgemäßen Beispiel und dem Vergleichsbeispiel erhaltenen Teilchen sind in Figur 6 dargestellt. Wie aus Figur 6 hervorgeht, besitzen die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten dispergierten flüssigen Teilchen eine engere Teilchengrößenverteilung als beim Vergleichsbeispiel, bei dem die Scherbelastung bzw. -beanspruchung stufenweise geändert wurde.
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Claims

Paten tansprüche 1. Vorrichtung zur Herstellung von flüssigen Teilchen einer dispergierten Lösung, gekennzeichnet durch einen Innenzylinder (5) und einen Außenzylinder (4), die relativ zueinander drehbar sind und zwischen sich einen Spalt bzw. Zwischenraum festlegen, in welchem ein Gemisch aus einem Dispersionsmittel und einer (darin) dispergierten Lösung in einer Quetschströmung (plus-flow) führbar und dabei einer sich fortlaufend oder stufenweise allmählich ändernden Scherbelastung bzw. -beanspruchung unterwerfbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scherbelastung oder -beanspruchung zunimmt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenzylinder (4) vorrichtungsfest ist bzw. stillsteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltweite zwischen Innen- und Außenzylinder (5, 4) im Bereich von 0,1 - 10 mm liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltweite zwischen Innen- und Außenzylinder (5, 4) im Bereich von 0,1 - 10 mm liegt.