DE602005001978T2

DE602005001978T2 - Kontinuierliche Herstellung von Silikon-in-Wasser Emulsionen mit hohem Anteil an interner Phase

Info

Publication number: DE602005001978T2
Application number: DE602005001978T
Authority: DE
Inventors: Ted Alan Reed; Eric Arthur Warren
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: US20050282914A1; US7144148B2; KR20060049238A; EP1607428B1; EP1607428A1; DE602005001978D1; JP2006002159A; TW200613380A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Emulsionen mit einem hohen Verhältnis von innerer (dispergierter) zu äußerer (kontinuierlicher) Phase. Insbesondere werden gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung Silicon-in-Wasser-Emulsionen mit einer geringen Wahrscheinlichkeit der Phaseninversion kontinuierlich hergestellt.
STAND DER TECHNIK
Eine Emulsion ist eine Dispersion einer flüssigen Phase in einer anderen, im Wesentlichen unmischbaren, kontinuierlichen flüssigen Phase. Da solche Dispersionen zum Trennen neigen, werden Stabilisatoren, d. h. Emulgatoren, zugesetzt, um die Emulsionen bestehend zu halten. Emulsionen mit einem hohen Verhältnis der dispergierten Phase zu der kontinuierlichen Phase sind im Fachgebiet als Emulsionen mit einem hohen Anteil an innerer Phase (High Internal Phase Ratio Emulsions; „HIPRE", „HIPR-Emulsionen" oder „HIPREs") oder als Emulsionen mit einem hohen Gehalt an innerer Phase (High Internal Phase Emulsions; „HIPE" oder „HIPEs") bekannt. Diese Emulsionen können entweder Öl-in-Wasser- oder Wasser-in-Öl-Emulsionen sein, und umfassen typischerweise mehr als 70 % innere bzw. dispergierte Phase.
Öl-in-Wasser-HIPR-Emulsionen werden üblicherweise durch Dispergieren von Öl in die kontinuierliche Phase unter Bedingungen hergestellt, bei denen Emulsionen mit einem Volumen der inneren Phase von über 70 % hergestellt werden können. Bei einem sehr hohen Volumen der inneren Phase können die Systeme offensichtlich keine getrennten kugelförmigen Öltröpfchen enthalten; vielmehr bestehen sie aus hochgradig verzerrten Öltröpfchen, die durch dünne dazwischen liegende wässrige Filme getrennt sind. Es sind mehrere Vorrichtungen zum Herstellen von HIPR-Emulsionen bekannt. Von diesen Vorrichtungen bedingen manche ein chargenweises Herstellungsverfahren, wie z. B. diejenigen, die im US-Patent Nr. 4,934,398 offenbart sind. Im Stand der Technik werden üblicherweise Mischer mit rotierenden Bauteilen verwendet, um die Scherung bereitzustellen, die bei der Herstellung von HIPR-Emulsionen zum Dispergieren der inneren Phase in die kontinuierliche Phase notwendig ist; siehe beispielsweise die US-Patente Nr. 5,250,576 und 5,827,909. Andere Verfahren umfassen das des US-Patents Nr. 3,684,251, das für die kontinuierliche Herstellung von Emulsionen eine Reihe von gestapelten, im Strom aufeinander folgenden Mischkammern mit größer werdenden Abmessungen und mit Rührvorrichtungen offenbart.
Zum Herstellen von HIPR-Emulsionen werden häufig Rotor/Stator-Systeme verwendet. Obwohl Rotor/Stator-Systeme kontinuierlich betrieben werden können, sind sie im Allgemeinen zur Verwendung im Single-Pass-Betrieb ausgelegt. Dabei werden dem Rotor/Stator-System die dispergierte und die kontinuierliche Phase in dem für die fertige Emulsion benötigten Verhältnis zugeführt, beispielsweise 80 % Öl und 20 % kontinuierliche Phase. Die einzige Weise, auf die das Rotor/Stator-System diesen hohen Anteil an Öl in den viel kleineren Anteil an kontinuierlicher Phase dispergieren kann, ist die Anwendung einer sehr hohen Scherung. Bei der Herstellung der Emulsion in der Rotor/Stator-Einheit erzeugt die hohe Scherrate eine große Menge an Wärme, die für viele Produkte unerwünscht ist, und die hohe Scherrate, die zum Bilden der Emulsion nötig ist, ist viel höher als zum Verringern der Teilchengröße der Öltröpfchen in der Emulsion erforderlich. Daher ist ein großer Teil der in dem Rotor/Stator-System erzeugten Wärme unnötig. Außerdem verursacht das Rotor/Stator-System bei vielen Emulsionen eine Phaseninversion durch Dispergieren der kontinuierlichen Phase in die Ölphase, so dass das Endprodukt mit den gewünschten Eigenschaften nicht erhalten wird. Bei der vorliegenden Erfindung beziehen sich alle Teilchengrößen auf mittlere bzw. gemittelte Teilchengrößen, insbesondere auf volumengemittelte Teilchengrößen.
In-Line-Mischer und statische Mischer sind Vorrichtungen zur Anwendung von Scherung, die präziser beherrscht werden können. In solchen Mischern passiert der Flüssigkeitsstrom durch festliegende Bauelemente und wird durch die Anordnung der Bauelemente aufgeteilt und wieder zusammengeführt, um so das Mischen durchzuführen. Es sind Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von HIPR-Emulsionen entwickelt worden. Beispielsweise offenbaren die US-Patente Nr. 4,472,215 und 4,844,620 Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von HIPR-Emulsionen, wobei die Materialien der einzelnen Phasen einer Umlaufstrecke des Systems zugeführt werden.
Im Stand der Technik sind auch Verfahren zum Herstellen von HIPR-Silicon-in-Wasser-Emulsionen bekannt. Beispielsweise beschreiben die US-Patente Nr. 5,563,189 und 5,665,796 ein kontinuierliches Verfahren zum Herstellen von Emulsionen mit einem hohen Anteil an innerer Phase (HIPREs) aus Siliconöl in Wasser unter Verwendung von Rotor/Stator-Systemen mit hoher Scherung zum Dispergieren eines großen Volumen Öls in einem kleinen Volumen Wasser.
Es wäre wünschenswert, ein kontinuierliches System zum Herstellen einer HIPR-Siliconöl-in-Wasser-Emulsion ohne untragbare Mengen an Mischenergie oder Emulgatoren, und ohne das Erzeugen von hohen Temperaturen und Verursachen einer Phaseninversion bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft kontinuierliche Verfahren zum Herstellen von HIPR-Emulsionen. Es wird ein kontinuierliches Verfahren zum Herstellen einer Silicon-in-Wasser-Emulsion mit einem hohen Gehalt an innerer Phase bereitgestellt, umfassend:

a) Bereitstellen einer Menge einer kontinuierlichen Phase an ein System;
b) Zugeben einer Menge einer dispergierten Phase zu dem System;
c) Bereitstellen einer schwach scherenden Vorrichtung zum Mischen der kontinuierlichen Phase und der dispergierten Phase, und Herstellen einer intermediären Emulsion dadurch;
d) schrittweises Zugeben von zusätzlichen Mengen der dispergierten Phase zu der intermediären Emulsion unter Scheren;
e) Aufrechterhalten der Mengen der kontinuierlichen Phase und der dispergierten Phase in dem System durch kontinuierliches Zugeben von zusätzlichen Mengen von jeder davon zu dem System; und
f) Entnehmen einer Silicon-in-Wasser-Emulsion mit einem hohen Gehalt an innerer Phase aus dem System bei laufender Herstellung.

Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff „Seife" die kontinuierliche Phase, die als Ausgangsmaterial zum Herstellen der HIPR-Emulsionen der vorliegenden Erfindung verwendet wird und Wasser und wenigstens einen Emulgator umfasst.
Wie hier verwendet, werden die Begriffe „intermediäre Emulsion" und „Schmiere" austauschbar verwendet und bezeichnen die Emulsion, die erhalten wird, wenn bei der Herstellung der HIPR-Emulsionen der vorliegenden Erfindung Öl zu der kontinuierlichen Ausgangsphase zugegeben wird. Die intermediäre Emulsion wirkt als kontinuierliche Phase, wenn weiteres Öl (dispergierte Phase) zugegeben wird, um die HIPR-Emulsion der vorliegenden Erfindung zu ergeben.
Nach der Herstellung sind die HIPR-Emulsionen stabil und können mit einer wässrigen oberflächenaktiven Lösung, Frischwasser oder Kochsalzlösung verdünnt werden, um Emulsionen mit hohen Graden der Monodispersion und einer gewünschten Viskosität ohne Beeinträchtigung der Stabilität herzustellen. Da die schmale Größenverteilung und die Tröpfchengröße beim Verdünnen erhalten bleiben, zeigt die so erhaltene Emulsion wenig Neigung zum Cremigwerden. Dies wiederum verringert die Gefahr der Phasentrennung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 zeigt eine graphische Darstellung eines Umlauf-Fließstreckensystems, das gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen von HIPR-Emulsionen verwendet werden kann;
2 zeigt eine graphische Darstellung eines modifizierten Umlauf-Fließstreckensystems mit sekundärer Scherung, das gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen von HIPR-Emulsionen verwendet werden kann;
3 zeigt eine graphische Darstellung eines modifizierten Umlauf-Fließstreckensystems mit einem Rotor/Stator-System für die sekundäre Scherung, das gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen von HIPR-Emulsionen verwendet werden kann;
4 zeigt eine graphische Darstellung eines modifizierten Umlauf-Fließstreckensystems mit einer Druckerhöhungspumpe, das gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen von HIPR-Emulsionen verwendet werden kann;
5 zeigt eine graphische Darstellung eines weiteren modifizierten Umlauf-Fließstreckensystems mit einer Druckerhöhungspumpe, das gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen von HIPR-Emulsionen verwendet werden kann;
6 zeigt eine graphische Darstellung eines kontinuierlichen Rührtanksystems, das gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen von HIPR-Emulsionen verwendet werden kann; und
7 zeigt eine graphische Darstellung eines gestuften statischen Mischersystems, das gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen von HIPR-Emulsionen verwendet werden kann.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der Erfindung handelt es sich um ein verbessertes Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von HIPR-Silicon-in-Wasser-Emulsionen. Die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte HIPR-Emulsion liegt in einer konzentrierten Form vor und kann mit Wasser weiter verdünnt werden („verdünnte Emulsion" oder „verdünntes Endprodukt"), um eine Öl-in-Wasser-Emulsion mit einer vergleichsweise niedrigen Viskosität zu ergeben. Am bevorzugtesten umfassen die zum Herstellen der Emulsion verwendeten Silicone Polydimethylsiloxane, organisch modifizierte Polydimethylsiloxane und Siliciumdioxid-gefüllte Polydimethylsiloxane.
Die Verfahren der vorliegenden Erfindung weisen gegenüber Rotor/Stator-Systemen im Stand der Technik den technischen Vorteil auf, dass bei ihnen das Verhältnis von dispergierter Phase zu kontinuierlicher Phase gesteuert werden kann, wodurch die Gefahr der Phaseninversion ausgeschlossen wird. Ferner wird bei den Verfahren der vorliegenden Erfindung eine viel schwächere Scherung als bei Rotor/Stator-Systemen verwendet, wodurch die Möglichkeit zum Betreiben bei tieferen Verarbeitungstemperaturen deutlich verbessert wird.
Gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Phaseninversion vermieden, indem zunächst das gesamte Volumen der kontinuierlichen Phase in das Mischgerät oder -system eingebracht und anschließend die dispergierte Phase langsam oder schrittweise beigemischt wird. Anfangs handelt es sich bei der kontinuierlichen Phase um ein manchmal als „Seife" bezeichnetes Gemisch aus Wasser und wenigstens einem Emulgator. Durch das Beimischen und Dispergieren der kleinen Menge der dispergierten Phase in das größere Volumen der kontinuierlichen Phase entsteht eine intermediäre Emulsion. Im Verlauf der Herstellung der intermediären Emulsion wirkt ständig das gesamte Volumen der intermediären Emulsion als die kontinuierliche Phase, obwohl sie etwas dispergierte Phase umfasst. So lange das Volumenverhältnis der intermediären Emulsion zu der dispergierten Phase, die zugegeben werden soll, bei einem hohen Wert gehalten wird, wird sich die dispergierte Phase weiterhin leicht in die intermediäre Emulsion dispergieren. Daher kann die dispergierte Phase der intermediären Emulsion kontinuierlich zugesetzt werden, bis die gewünschte HIPR-Emulsion erhalten ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei dem anfänglichen Mischen der beiden Phasen das Volumenverhältnis der kontinuierlichen Phase zu der dispergierten Phase bei einem hohen Wert gehalten. Da die Verfahren der vorliegenden Erfindung die kontinuierliche Herstellung von HIPR-Emulsionen betreffen, muss das Verhältnis der intermediären Emulsion (kontinuierliche Phase plus die bis dahin zugegebene dispergierte Phase) zu der dispergierten Phase, die zugegeben werden soll, zum Zeitpunkt des Zugebens der zusätzlichen dispergierten Phase zu der intermediären Emulsion auf ähnliche Weise bei einem hohen Wert gehalten werden. Das Verhältnis der kontinuierlichen Phase oder der intermediären Emulsion zu der dispergierten Phase sollte mindestens etwa 1,5:1 betragen, vorzugsweise liegt dieses Verhältnis jedoch im Bereich von etwa 2:1 bis etwa 20:1.
Bei den Verfahren der vorliegenden Erfindung werden niedrige Scherraten bei tiefen Verarbeitungstemperaturen eingesetzt. Vorzugsweise liegt die Temperatur bei den Verfahren der vorliegenden Erfindung im Bereich von etwa 10 °C bis etwa 80 °C, bevorzugter von etwa 20 °C bis etwa 40 °C. Bei der Herstellung von HIPR-Siliconemulsionen sind niedrige Scherraten von etwa 200 sec^–1 verwendet worden. Die Scherraten in verschiedenen statischen Mischern sind über den Druckabfall abgeschätzt worden, und die Korrelation zwischen Viskosität und Scherrate ist für eine strukturviskose HIPR-Siliconemulsion aufgestellt worden. Diese Korrelation wurde über den Druckabfall entlang Rohren mit verschiedenen Durchmessern nach dem von Brodkey beschriebenen Kapillar-Scherdiagramm-Verfahren aufgestellt (R. S. Brodkey, The Phenomena of Fluid Mutions, Seite 408, Addison-Wesley Publishing Company, Reading, MA (1967)). Die in der vorliegenden Patentanmeldung berechneten und beschriebenen Scherraten stellen Näherungen für den laminaren Fluss von Newton-Flüssigkeiten in verschiedenen statischen Mischern dar.
Die vorliegende Erfindung kann vorzugsweise zum Herstellen von Öl-in-Wasser-Emulsionen verwendet werden, wobei der hohe Anteil und die hohe Viskosität der hier manchmal als „Schmiere" bezeichneten intermediären Emulsion genutzt werden, um die Scherspannung aufzubauen, die zum Dispergieren der zusätzlichen dispergierten Phase, d. h. Öl, zu Tröpfchen benötigt wird. Die Scherspannung ist gleich der Viskosität multipliziert mit der Scherrate, und diese Spannung in der kontinuierlichen Phase oder in der intermediären Emulsion ist für das Aufbrechen der Ölphase zu kleinen Tröpfchen verantwortlich. Daher kann in der kontinuierlichen Phase eine hohe Scherspannung unter Verwendung einer vergleichsweise niedrigen Scherrate, wie sie z. B. in statischen Mischern entsteht, erzeugt werden. Auf Grund der geringen Scherrate entsteht bei der vorliegenden Erfindung vergleichsweise wenig Abwärme, so dass die Temperatur der Emulsion leichter beherrscht werden kann und es einfach ist, das Öl als dispergierte Phase bestehend zu halten.
Zum Herstellen von HIPR-Emulsionen gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Verfahren verwendet werden, die dem Fachmann bekannt sind. Die Verfahren, durch die die Emulsionen hergestellt werden können, umfassen ein Umlaufstromsystem mit Rückführung der Schmiere (recycled grease recirculation flow line; „RGL"), ein kontinuierliches Rührtanksystem (continuous stirred tank; „CST") und ein gestuftes statisches Mischersystem (staged static mixer; „SSM").
Bei dem in 1 allgemein dargestellten, bei dem RGL-Verfahren eingesetzten System wird ein stationärer Zustand erhalten, bei dem ein vergleichsweise großer Fluss einer intermediären Emulsion bzw. einer Schmiere in einer Umlauf-Fließstrecke 10 von der Ausstoßseite einer Pumpe 20 zu deren Einlassseite rückgeführt wird. An der Ölzuführung 30 wird der Umlauf-Fließstrecke ein vergleichsweise kleiner Fluss an Öl zugeführt und dem größeren Fluss der rückgeführten intermediären Emulsion beigemischt. Die Scherung, die zum Dispergieren des Öls in die intermediäre Emulsion benötigt wird, wird von einem statischen Mischer 40 (oder einer anderen statischen Schervorrichtung), der bzw. die in der Umlauf-Fließstrecke angeordnet ist, bereitgestellt. Ferner wird der Umlauf-Fließstrecke ein kleiner Fluss an kontinuierlicher Ausgangsphase, vorzugsweise Wasser und wenigstens ein Emulgator (auch als „Seife” bekannt), an der Seifenzuführung 50 zugeführt, um die gewünschte Produktformulierung aufrecht zu erhalten. Stromabwärts bezogen auf den statischen Mischer tritt die Emulsion durch die Auslassleitung 60 gegen einen Gegendruck kontinuierlich aus dem Umlaufstrom aus, wobei der Gegendruck hoch genug ist, um zu gewährleisten, dass die in der Umlauf-Fließstrecke zurückbleibende viskose intermediäre Emulsion zu der Einlassseite der Pumpe 20 gedrückt wird. Das Volumen des fertigen Emulsionsprodukts, das durch die Auslassleitung 60 ausgestoßen wird, ist gleich dem Volumen an frischem Öl und frischer kontinuierlicher Phase, das in die Umlauf-Fließstrecke gepumpt wird.
Der erste Schritt des RGL-Verfahrens ist das Befüllen der Umlauf-Fließstrecke 10 mit einer kontinuierlichen Phase. Vorzugsweise handelt es sich bei der kontinuierlichen Phase um ein Gemisch aus Wasser und einem Emulgator oder mehreren Emulgatoren. Die kontinuierliche Phase kann vor dem Zuführen an das RGL durch Einmessen der geeigneten Formulierung von Emulgatoren und Wasser in statische Mischer kontinuierlich hergestellt werden. Die kontinuierliche Phase kann vor dem Eintreten in die Umlauf-Fließstrecke 10 mit herkömmlichen und bekannten Vorrichtungen gekühlt oder erwärmt werden. Für jedes Produkt wird das Emulgator/Öl-Verhältnis von der Formulierung des Endprodukts anhängen. Sobald die Umlauf-Fließstrecke 10 mit der kontinuierlichen Phase gefüllt ist, werden die Umlaufpumpe 20 und die Pumpe (nicht gezeigt) zum Zuführen der kontinuierlichen Phase durch die Seifenzuführung 50 gestartet, um die kontinuierliche Phase kontinuierlich umzuwälzen und zu mischen. Anschließend wird eine Pumpe (nicht gezeigt) zum Zuführen von Öl gestartet und die Pumprate auf die gewünschte stationäre Rate erhöht. Die dispergierte Phase kann vor dem Eintreten in die Umlauf-Fließstrecke 10 mit herkömmlichen und bekannten Vorrichtungen gekühlt oder erwärmt werden. Das Öl tritt durch die Ölzuführung 30 in das System ein, wobei durch das Ansteigen des Ölanteils der Zusammensetzung in der Umlauf-Fließstrecke die intermediäre Emulsion entsteht und eine stationäre Emulsionszusammensetzung rasch erhalten werden kann.
Das zum Herstellen der kontinuierlichen Phase verwendete Wasser wird "Ausgangswasser" genannt, und seine Konzentration kann die Teilchengröße der fertigen Emulsion wesentlich beeinflussen. Die beste Konzentration des Ausgangswassers in der kontinuierlichen Phase muss für jedes Produkt erst bestimmt werden, und kann mit dem Verfahren variieren.
Die Ölzufuhr 30 zu der Umlauf-Fließstrecke 10 kann mit einer geringen Rate gestartet und schrittweise auf den endgültigen Durchsatz erhöht werden, um die gewünschte Zusammensetzung der Emulsion zu ergeben. Nach dem Zuführen des Öls zu dem umlaufenden Strom der kontinuierlichen Phase, später der intermediären Emulsion, wird es in dem statischen Mischer 40 schnell dispergiert und ergibt die intermediäre Emulsion. Beim Scheren der viskosen intermediären Emulsion, die in der Umlauf-Fließstrecke umläuft, entsteht nur eine vergleichsweise geringe Menge an Wärme. Ist der Temperaturanstieg jedoch größer als erwünscht, so kann die Temperatur durch Vorkühlen des Öls abgesenkt werden.
Für einen kontinuierlichen Betrieb sollte die gesamte Umlauf-Fließstrecke unter einem positiven Druck stehen, um einen ausreichenden Druck sicher zu stellen, der die intermediäre Emulsion an die Einlassseite der Umlaufpumpe drückt. Dies kann durch Aufbauen eines Gegendrucks unter Verwendung eines Gegendruckregulators (90 in 1) oder einer anderen Drosselvorrichtung an dem Streckenabschnitt, an dem die Emulsion aus der Umlauf-Fließstrecke austritt, erreicht werden. Es kann auch von Vorteil sein, ein senkrechtes Standrohr, einen Akkumulator (100 in 1) mit einer Druckanzeige 130, oder einen Pulsdämpfer (nicht gezeigt) an der Einlassseite der Umlaufpumpe anzuordnen. Diese Vorrichtungen dienen im Wesentlichen als unter Druck (dem Druck der Umlauf-Fließstrecke) stehendes Ausgleichsvolumen. Beginnt die Umlaufpumpe zu kavitieren, so führt das unter Druck stehende Ausgleichsvolumen der Einlassseite der Pumpe schnell etwas intermediäre Emulsion zu. Dies verhindert das Kavitieren und stellt sicher, dass die Umlaufpumpe die intermediäre Emulsion kontinuierlich in der Umlauf-Fließstrecke umwälzen wird. Das RGL-System weist auch eine Ableitung 70 zum Entleeren des Systems auf, wie es für Wartungszwecke benötigt wird, sowie Thermoelemente 80 zur Temperaturmessung, Druckwandler 110 zur Drucküberwachung des Systems, und Berstscheiben oder ähnliche Ventile zur Drucklösung 120. Diese Bauelemente können sowohl in der Umlauf-Fließstrecke 10 als auch in der Auslassleitung 60 angeordnet sein.
Ein Ziel des RGL-Verfahrens ist das Minimieren des Temperaturanstiegs bei der Herstellung einer Rohemulsions-Schmiere. Der Temperaturanstieg kann durch Minimieren des Druckabfalls entlang der Umlauf-Fließstrecke gering gehalten werden. Der Druckabfall ist ein direktes Maß der Energiemenge, die der Schmiere durch viskose Scherung zugeführt wird. Der Druckabfall kann durch Anordnen eines statischen Mischers 40 mit niedriger Scherung, einer vergleichsweise kurzen Länge und einem vergleichsweise großen Innendurchmesser in der Umlauf-Fließstrecke 10 gering gehalten werden. Der statische Mischer 40 sollte dabei aber ein ausreichendes Mischen und eine ausreichende Scherung bereitstellen, um die intermediäre Emulsion leicht herzustellen. Außerdem sollte zum Verringern des Druckabfalls die Geschwindigkeit durch den statischen Mischer niedrig sein. Daher sollte die Umlaufrate in der Umlauf-Fließstrecke niedrig genug sein, um einen geringen Druckabfall zu ergeben, jedoch hoch genug, um leicht eine intermediäre Emulsion zu ergeben. Das Verhältnis der rückgeführten intermediären Emulsion zu dem zugeführten Öl, das zum leichten Bilden einer Emulsion benötigt wird, kann mit dem gewünschten Produkt variieren.
Bei einem modifizierten System, das in 2 dargestellt ist, ist der Gegendruckregulator 90 von 1 durch eine sekundäre statische Mischvorrichtung 140 in der Auslassleitung 60 von 2 ersetzt. In diesem Fall baut die Umlaufpumpe 20 den Gegendruck auf, der für den sekundären Scherschritt benötigt wird.
In 3 ist ein System dargestellt, bei dem zum Verringern der Größe der Öltröpfchen auf den gewünschten Endwert eine äußerst hohe Scherung erforderlich ist, wobei der Gegendruckregulator 90 von 1 durch ein Rotor/Stator-System 280 in der Auslassleitung 60 von 3 ersetzt ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein modifiziertes RGL-System zum Herstellen einer HIPR-Silicon-in-Wasser-Emulsion verwendet werden. In 4 ist ein allgemeiner Aufbau dieses Systems dargestellt. Das System umfasst eine Druckerhöhungspumpe 200 und eine sekundäre statische Schervorrichtung 140. Wie in 4 gezeigt ist, kann in der Auslassleitung 60 stromaufwärts bezogen auf die Druckerhöhungspumpe 200 ein zusätzlicher Akkumulator 220 mit einer Druckanzei ge 230 angeordnet sein. In der Auslassleitung 60 kann ein zusätzliches Thermoelement 240 stromabwärts bezogen auf die Druckerhöhungspumpe 200, jedoch stromaufwärts bezogen auf sie sekundäre statische Schervorrichtung 140, angeordnet sein. Ferner können in der Auslassleitung 60 zusätzliche Druckwandler 250, Berstscheiben 260 sowie ein Luftdurchlass 270 angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform kann die Leitung, die zu der Druckerhöhungspumpe (200 in 4) für die sekundäre Schervorrichtung (140 in 4) führt, mit einem Ventil (nicht gezeigt) abgeschlossen und die aus der Umlauf-Fliesstrecke austretende kontinuierliche Phase durch ein Probenventil (nicht gezeigt) entnommen werden.
Falls der von der sekundären statischen Schervorrichtung erzeugte Gegendruck größer als die Druckbemessungen der Umlauf- und Zuführungspumpen ist, könnte die Schmiere einer vor der sekundären statischen Schervorrichtung 140 angeordneten Druckerhöhungspumpe 200 zugeführt werden. Ein Beispiel dieses Aufbaus des RGL-Systems ist in 4 dargestellt. Geeignete Druckerhöhungspumpen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Zahnradpumpen, wie sie von Zenith im Handel erhältlich sind, sowie Hochdruck-Membran- oder Kolbenpumpen. Diese Pumpen weisen Rückflusssperren auf und werden daher üblicherweise nicht für hochviskose Flüssigkeiten empfohlen; da die Schmiere jedoch bei dem Ansaughub im Wesentlichen in die Membran- oder die Zylinderhöhlung gedrückt wird, könnten diese Pumpen möglicherweise geeignet arbeiten. Der Vorteil wäre, dass diese Pumpen möglicherweise zum Aufbauen von hohen Drucken mit einem geringen Schlupf geeignet sind. Falls eine Kolbenpumpe zur Druckerhöhung verwendet werden kann, könnte es möglich sein, einen Hochdruck-Homogenisator für den zweiten Scherschritt zu verwenden. In diesem Fall dient das Homogenisierungsventil als statische Schervorrichtung. Der Grund für das Durchführen einer sekundären Scherung ist das Verringern der Teilchengröße, indem die Schmiere einer höheren Scherrate unterworfen wird. Ohne die Verwendung einer Druckerhöhungspumpe würde der Gegendruck der sekundären statischen Schervorrichtung 140 die gesamte Umlauf-Fließstrecke unter einen wesentlich höheren Druck setzen. Falls die Einlassöffnung der Umlaufpumpe nicht für diesen hohen Druck ausgelegt ist, muss an der Einlassseite der Umlauf-Fließstrecke eine Drosselung eingebaut werden, um den Druck an der Einlassöffnung auf ein annehmbares Niveau zu verringern. Der Druck abfall an dieser Drosselung ist ein Maß für die Scherung, der die Schmiere unterworfen wird. Diese zusätzliche Scherung kann der umlaufenden Schmiere Wärme zuführen, die für manche Produkte unerwünscht sein kann. Falls eine Umlaufpumpe mit einer hohen Bemessung des Einlassdrucks verwendet würde, wäre die Drosselung an der Einlassseite der Umlauf-Fließstrecke nicht notwendig und der Schmiere würde nur sehr wenig Wärme zugeführt.
Das RGL-System kann in verschiedenen Bauformen ausgeführt sein. Beispielsweise können die Seife und das Öl an der Ausstoßseite der Umlaufpumpe zugeführt werden, um sicher zu stellen, dass die Ausgangsmaterialien niemals in der Umlauf-Fließstrecke rückwärts fließen und aus dem Auslass der Umlauf-Fließstrecke austreten. Der Nachteil dieses Aufbaus ist jedoch, dass die Zuführungspumpen für einen viel höheren Ausstoßdruck bemessen sein müssen.
Sobald die Rohemulsion in der Umlauf-Fließstrecke erhalten ist, wird das Emulsions-Probenventil (nicht gezeigt) geschlossen und das Ventil (nicht gezeigt) zu der Druckerhöhungspumpe (200 in 4) geöffnet. Die Auslassleitung 60 stromaufwärts bezogen auf die Druckerhöhungspumpe wird unter Verwendung eines Luftdurchlassventils (270 in 4) mit der Emulsion gefüllt. Sobald diese Leitung gefüllt ist, wird das Luftdurchlassventil geschlossen und die Druckerhöhungspumpe gestartet. Die Geschwindigkeit der Druckerhöhungspumpe wird so geregelt, dass sie dem aus der Umlauf-Fließstrecke 10 austretenden Fluss der Emulsion entspricht. Ein vergleichsweise großes Ausgleichsvolumen mit Emulsion an der Einlassseite der Druckerhöhungspumpe macht ein genaues Abgleichen des Durchsatzes der aus dem RGL austretenden Emulsion und der Ausstoßrate der Druckerhöhungspumpe unnötig. Das Ausgleichsvolumen könnte mit Vorrichtungen wie einem Akkumulator 220, einem Standrohr oder einem Pulsdämpfer erhalten werden.
Die Emulsion kann durch eine sekundäre statische Schervorrichtung mit einer vergleichsweise hohen Scherung (140 in 4) an der Ausstoßseite der Druckerhöhungspumpe 200 geführt werden, um die Tröpfchen der Rohemulsion bis zu der gewünschten Teilchengröße aufzubrechen. Die Druckerhöhungspumpe ist erforderlich, da der Fluss der Emulsion durch diese statische Schervorrichtung einen ver gleichsweise großen Gegendruck erzeugt. Da die Emulsion nur einmal durch diese Schervorrichtung passiert, ist der Temperaturanstieg gering. Die Emulsion tritt durch die Auslassleitung 60 aus der nur einmal passierten statischen Schervorrichtung aus, und ist zum Verdünnen mit Wasser und Zusatzstoffen zur Herstellung der fertigen Emulsion bereit.
Das RGL-System kann zum Herstellen einer großen Vielfalt an Produkten verwendet werden, da sowohl das Verhältnis des zugeführten Öls zu der umlaufenden intermediären Emulsion als auch die Scherrate des statischen Mischers durch Verändern der Pumprate der umlaufenden intermediären Emulsion eingestellt werden können. Außerdem können durch Erhöhen der Rückführungsrate (und somit der Geschwindigkeit) durch den statischen Mischer, wobei sich höhere Scherraten ergeben, kleinere Teilchengrößen erhalten werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird zum Herstellen der HIPR-Emulsion ein CST-System verwendet, das in 6 allgemein dargestellt ist. Bei dem CST-Verfahren wird die intermediäre Emulsion in dem Mischprofil eines kontinuierlichen Rührtanks 400 umgewälzt, und nicht entlang einer Umlauf-Fließstrecke. Der kontinuierliche Rührtank ist ein geschlossenes Druckgefäß, und die hergestellte Emulsion wird gegen den Gegendruck, der durch das Fließen der viskosen intermediären Emulsion erzeugt wird, durch eine Auslassleitung 410 ausgestoßen. Bei stationären Bedingungen werden vergleichsweise kleine Zufuhrraten an Öl durch die Leitung 420 und an Seife durch die Leitung 430 in ein vergleichsweise großes Volumen an intermediärer Emulsion in dem kontinuierlichen Rührtank gepumpt. Sowohl die kontinuierliche als auch die dispergierte Phase können vor dem Eintreten in den kontinuierlichen Rührtank gekühlt oder erwärmt werden. Die Rührgeschwindigkeit ist hoch genug, um das zugeführte Öl schnell in die intermediäre Emulsion zu mischen und darin zu dispergieren, wodurch das hohe Verhältnis von kontinuierlicher Phase zu dispergierter Phase erhalten bleibt.
Die bei dem CST 400 eingesetzten Rührwerke 440 können den im Stand der Technik bekannten Rührwerken ähnlich sein, die bei Doppelachsen-Chargenkesseln verwendet werden, und umfassen vorzugsweise einen an der Wand gleitenden Anker (nicht gezeigt) zum Rückmischen der viskosen intermediären Emulsion. Das Rührwerk mit einem an der Wand gleitenden Anker kann auch zum Dispergieren des Öls zur Herstellung einer intermediären Emulsion mit einer vergleichsweise großen Teilchengröße geeignet sein. Das Kühlen der Emulsion wird verstärkt, da die viskose intermediäre Emulsion ständig von den als Kühlfläche wirkenden Kesselwänden weg gerührt wird.
Wenn gewünscht, kann die intermediäre Emulsion mit einem Hochgeschwindigkeits-Disperger (einem zweiten Rührwerk) geschert werden, um eine kleinere Teilchengröße zu erhalten. Bei stationären Bedingungen ist der Rührtank vollständig mit intermediärer Emulsion gefüllt. Das Anlaufen wird analog zu dem RGL-Verfahren durch Beginnen mit einem vollständig mit kontinuierlicher Phase gefüllten Rührtank durchgeführt. Die HIPR-Emulsion wird durch die Auslassleitung 410 in einer Menge aus dem CST-System ausgestoßen, die der Menge an Ausgangsmaterial entspricht, die dem System zugeführt wird. Vorzugsweise weist der CST-Tank 400 einen seiner äußeren Oberfläche benachbarten Mantel auf, der zum Wärmen oder Kühlen der intermediären Emulsion in dem Tank verwendet werden kann. Wenn gewünscht, kann zum weiteren Verringern der Größe der Öltröpfchen eine sekundäre statische Schervorrichtung in der Leitung angeordnet sein, durch die die HIPR-Emulsion aus dem CST abgeführt wird. Falls der Gegendruck der sekundären statischen Schervorrichtung größer als die Druckbemessung des CST ist, könnte die Schmiere einer vor der sekundären Schervorrichtung angeordneten Druckerhöhungspumpe zugeführt werden.
Zum Herstellen von HIPR-Emulsionen gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch das in 7 allgemein dargestellte SSM-System verwendet werden. Bei dem SSM-Verfahren wird die gesamte Ölzufuhr in mehrere kleiner bemessene Zufuhren durch die Leitungen 510, 520, 530, 540 und 550 aufgeteilt, von denen jede mit einer Pumpe 570 ausgestattet ist (dies könnte auch mit einer einzigen Ölzuführungspumpe unter Verwendung eines Flussreglers an jeder der Zuführungsleitungen durchgeführt werden). Dem ersten statischen Mischer 600 wird die gesamte Zufuhr an kontinuierlicher Phase durch eine kontinuierliche Zuführungsleitung 560 zugeführt. Der Leitung 560 wird unmittelbar vor dem ersten statischen Mischer 600 auch die kleinste Ölzuführung 510 zugeführt. Die Ölzuführungsrate an der Zuführungsleitung 510 wird klein genug gewählt, um das Verhältnis der kontinuierlichen Phase zu dem Öl bei einem vergleichsweise hohen Wert zu halten. Dies ermöglicht ein leichtes Dispergieren des Öls in die kontinuierliche Phase, wenn die beiden Zufuhren beim Passieren durch den statischen Mischer 600 geschert werden. Das aus dem statischen Mischer austretende Material fließt durch die Transportleitung 650 zu dem nächsten statischen Mischer. Das Material ist nun eine intermediäre Emulsion, die als kontinuierliche Phase wirkt, die dem zweiten statischen Mischer 610 zugeführt wird. Da diese intermediäre Emulsion einen höheren Durchsatz als die kontinuierliche Phase aufweist, kann dem zweiten statischen Mischer durch die Zuführung 520 ein höherer Fluss an Öl zugeführt und dabei dennoch das Verhältnis der kontinuierlichen Phase zu der dispergierten Phase bei dem gewünschten hohen Wert gehalten werden. Beim Eintreten der intermediären Emulsion in die nachfolgenden statischen Mischer 620, 630 und 640 kann der Transportleitung 650 weiteres Öl durch die Zuführungen 530, 540 und 550 zugeführt werden. Bei diesem Verfahren kann die fertige Emulsion typischerweise durch schrittweises Erhöhen der Ölzufuhr an vier oder fünf stufenweise, in Reihe angeordnete statische Mischer hergestellt werden. Im Gegensatz zu den RGL- und CST-Verfahren umfasst das gestufte statische Mischerverfahren kein Rückführen oder Rückmischen der Schmiere. Der statische Mischer jeder Stufe kann zum Herstellen der gewünschten Dispersion bei gleichzeitigem Minimieren der Abwärme (Druckabfall) gewählt werden. Auf diese Weise wird der Temperaturanstieg minimiert. Nach dem Passieren durch den letzten statischen Mischer verlässt die fertige Emulsion das System durch die Auslassleitung 660.
Sowohl bei dem RGL- als auch bei dem SSM-Verfahren können eine oder mehrere der statischen Schervorrichtungen durch einen In-Line-Rührmischer (beispielsweise einen Trommelmischer, einen Flügelmischer, usw.) oder ein Rotor/Stator-System ersetzt sein. Die Reihe der Mischer kann von etwa 3 bis etwa 10 Mischer umfassen.
Die wichtigste Funktion der vorstehend beschriebenen drei Verfahren unter Verwendung der drei Systeme (RGL, CST und SSM) in Verbindung mit den Verfahren der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie die gewünschte HIPR-Emulsion mit einer sehr geringen Gefahr der Phaseninversion herstellen können. In manchen Fällen, bei denen die Verwendung all dieser Verfahren zum Herstellen der letztlich gewünschten Teilchengröße (Tröpfchengröße) unpraktisch ist, können die Verfahren zum Herstellen einer Emulsion mit einer groben Teilchengröße verwendet werden. Die Teilchengröße kann dann durch sekundäre Verarbeitungsschritte mit einer vergleichsweise geringen Scherung weiter verringert werden, indem die rohe Emulsion durch längere statische Schervorrichtungen oder solche mit einer höheren Scherung geleitet wird. Sekundäre statische Schervorrichtungen können statische Mischer, Nadeldüsen oder kleinkalibrige Rohrleitungen umfassen.
Falls die gewünschte sekundäre statische Schervorrichtung keine größeren Drucke als die Druckbegrenzung der Umlaufpumpe für die Schmiere, des kontinuierlichen Rührtanks oder der Zuführungspumpen für das Ausgangsmaterial erfordert, könnte die sekundäre statische Schervorrichtung in der Auslassleitung der Umlauf-Fließstrecke des RGL-Systems oder des kontinuierlichen Rührtanks des CST-Systems angeordnet sein, oder sie könnte am Ende der Reihe der statischen Mischer des SSM-Systems angeordnet sein.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten HIPR-Siliconemulsionen sind strukturviskos, d. h. pseudoplastisch, sie sind jedoch nicht thixotrop. Vorzugsweise wird die HIPR-Emulsion nach dem Entfernen aus dem System weiter behandelt, um ein Endprodukt mit gewünschten Eigenschaften zu ergeben. Die weitere Behandlung umfasst das Verdünnen mit Wasser. Bei manchen Ausführungsformen werden zur Herstellung der Endprodukte weitere Stoffe zugegeben, beispielsweise Biozide oder Konservierungsmittel, wie z. B. Parasept oder Phenonip, Frostschutzmittel, wie z. B. Propylenglykol, Verdickungsmittel, wie z. B. Natriumcarboxymethylcellulose, und so weiter. Andere typische Zusatzstoffe für Siliconemulsionen werden in den US-Patenten Nr. 5,000,861; 5,391,400; 5,234,495 und 5,338,352 genannt. Die Wahl solcher Zusatzstoffe hängt vom Endprodukt und dessen Verwendung ab. Beispielsweise wird bei der Verwendung eines Siliciumdioxid-gefüllten Polydimethylsiloxans als Siliconverbindung vorzugsweise ein Verdickungsmittel zugesetzt.
Die Viskosität einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten HIPR-Siliconemulsion wird an jedem Ort des Systems mit Ausnahme der Scherbereiche im Bereich von etwa 50.000 cp bis etwa 6.000.000 cp liegen. Die Siliconemulsion kann nicht in einem niederviskosen Zustand beobachtet oder untersucht werden. Da sie immer ein hochviskoses Gel zu sein scheint, ist nicht intuitiv ersichlich, dass dieses Material bei einem Verfahren leicht gepumpt oder gemischt werden kann. Die konzentrierte Emulsion kann anschließend zu dem gewünschten verdünnten Emulsions-Endprodukt verdünnt werden.
Die Viskosität des verdünnten Emulsions-Endprodukts kann im Bereich von etwa 1 cp bis etwa 10.000 cp liegen. Die Viskosität variiert abhängig von dem verwendeten Silicon, wobei sie bei Verwendung eines Polydimethylsiloxans oder eines organisch modifizierten Polydimethylsiloxans im Bereich von etwa 1 cp bis etwa 2.000 cp liegt, während bei Verwendung eines Siliciumdioxid-gefüllten Polydimethylsiloxans eine Viskosität von etwa 5 cp bis etwa 10.000 cp erhalten werden kann.
Das Endprodukt weist eine mittlere Teilchengröße im Bereich von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 30 Mikrometer auf. Die mittlere Teilchengröße kann variieren, wobei sie bei Verwendung eines Polydimethylsiloxans oder eines organisch modifizierten Polydimethylsiloxans im Bereich von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 2,0 Mikrometer liegt, während bei Verwendung eines Siliciumdioxid-gefüllten Polydimethylsiloxans eine mittlere Teilchengröße im Bereich von etwa 1 Mikrometer bis etwa 30 Mikrometer erhalten werden kann.
Die Kapitalkosten für das kontinuierliche Verfahren, bei dem nur kleine Pumpen und statische Mischer benötigt werden, ist viel geringer als bei dem chargenweisen Verfahren, bei dem große Mehrwellen-Mischkessel benötigt werden.
Die nachstehenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung und sollen den Umfang der Erfindung gemäß den anhängenden Ansprüchen nicht beschränken.
BEISPIELE
Bei jedem der nachstehenden Beispiele wurden HIPR-Silicon-in-Wasser-Emulsionen wie angegeben hergestellt. Die Formulierungen der hergestellten HIPR-Aminopolysiloxan-Emulsionen basieren auf Formulierungen für verdünnte Emulsionen, die in den US-Patenten Nr. 5,000,861 und 5,391,400, die hier durch Bezugnahme vollständig eingeschlossen werden, beschrieben worden sind.
BEISPIEL 1
Eine Emulsion eines Amino-modifizierten Polydimethylsiloxans (oder Aminopolysiloxans) wurde unter Verwendung einer RGL-Vorrichtung, die wie in 5 gezeigt aufgebaut war, folgendermaßen hergestellt.
Das RGL wurde unter Verwendung einer Zenith BMC-Zahnradpumpe mit 20,2 cm³/U als Umlaufpumpe 20 für die Schmiere aufgebaut. Für die Umlauf-Fließstrecke 10 wurden 1-Inch-Rohre aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von 0,834 inch verwendet. Die Umlauf-Fließstrecke umfasste eine statische Mischvorrichtung 40 vor der Verbindung mit der Leitung 150 zum Speisen der Druckerhöhungspumpe 200 (an der Auslassseite der Umlauf-Fließstrecke) und einer statischen Mischvorrichtung 710 stromabwärts bezogen auf diese Verbindung (an der Einlassseite der Umlauf-Fließstrecke). Die Druckerhöhungspumpe war eine Zenith BXB-6125-100-01 Zahnradpumpe. Jede statische Mischvorrichtung umfasste drei statische ¾-Inch Koch SMX-Mischelemente. Jedes statische Mischelement wies eine Länge von 0,8 Inch und einen Durchmesser von 0,824 Inch auf. In der Umlauf-Fließstrecke war ein senkrechtes Standrohr 740 stromaufwärts bezogen auf die Umlaufpumpe 20 für die Schmiere angeordnet und wirkte analog einem Akkumulator. Sowohl in der Umlauf-Fließstrecke 10 als auch in der Auslassleitung 60 waren Druckanzeiger 750 angeordnet.
Die kontinuierliche Phase wurde der Einlassseite der Umlauf-Fließstrecke durch die Seifenzuführung 50 kontinuierlich zugeführt. Die kontinuierliche Phase wurde durch Einmessen von 62 g/min eines linearen Alkoholethoxylat-Emulgators (als oberflä chenaktives Mittel Tergitol^TM 15-S-15 im Handel erhältlich (von Dow Chemical)), 42 g/min eines zweiten Emulgators (als oberflächenaktives Mittel Tergitol^TM 15-S-3 im Handel erhältlich (von Dow Chemical)) und 81 g/min Wasser in eine Reihe von statischen Mischern vor dem Zuführen in die Umlauf-Fließstrecke hergestellt (nicht gezeigt). Das Verhältnis der Gesamtmenge der oberflächenaktiven Mittel zu dem Öl betrug bei diesem Beispiel etwa 0,2:1. Diese Zusammensetzung des Ausgangswassers ergab kleinere Teilchengrößen als andere untersuchte Zusammensetzungen. Das Verhältnis von Ausgangswasser zu Emulgator betrug bei diesem Beispiel etwa 0,8:1. Die kontinuierliche Phase wurde in der Umlauf-Fließstrecke umgewälzt, anschließend wurde das organisch modifizierte Polydimethylsilicon (CH₃)₃SiO((CH₃)₂SiO)₅₀₀((CH₃)(C₃H₆NHC₂H₄NH₂)SiO)₃Si(CH₃)₃ der Einlassseite der Umlauf-Fließstrecke durch die Leitung 30 zugeführt und schrittweise auf die stationäre Rate von 551 g/min erhöht. Die so hergestellte Anfangsemulsion wurde durch ein stromabwärts bezogen auf den Gegendruckregulator 90 der Auslassleitung angeordnetes Probenventil für die Schmiere 720 entnommen. Nach mehreren Minuten war die Zusammensetzung der Emulsion grob auf stationäre Bedingungen eingestellt. Anschließend wurde die rohe intermediäre Emulsion dem Einlass der Druckerhöhungspumpe zugeführt.
Nachdem die Auslassleitung 60 stromaufwärts bezogen auf die Druckerhöhungspumpe 200 gefüllt war, wurde durch Unterdrucksetzen der Auslassleitung 60 ein Ausgleichsvolumen in dem Akkumulator 220 erzeugt. Die Blase des Akkumulators war anfangs mit Stickstoff auf einen Druck von 125 psi gesetzt. Die Auslassleitung 60 wurde auf einen Druck von 160 psi gesetzt, anschließend wurde die Druckerhöhungspumpe gestartet. Das Halten des Pumpeneinlasses bei einem Druck zwischen 140 und 220 psi stellte sicher, dass ein ausreichend großes Ausgleichsvolumen der Emulsion in den Akkumulator gefüllt wurde. Anschließend wurde die Druckerhöhungspumpe so geregelt, dass sie einen vergleichsweise konstanten Druck im Bereich von 140 bis 220 psi erzeugte. Ein vergleichsweise konstanter Einlassdruck zeigte, dass die Pumprate der Druckerhöhungspumpe im Wesentlichen gleich war wie der aus der Umlauf-Fließstrecke austretende Fluss.
Die sekundäre Schervorrichtung 730 bestand aus zwei miteinander verbundenen Koflo-Rohrmischern. Einer der Rohrmischer umfasste 21 Mischelemente, während der andere 27 Mischelemente umfasste, um insgesamt 48 Mischelemente zu ergeben. Die Gesamtlänge dieser statischen Mischanordnung betrug etwa 14 Inch. Der Innendurchmesser dieses rohrförmigen statischen Mischers betrug 0,132 Inch. Die Rohschmiere wurde mit einem volumenbezogenen Durchsatz von etwa 740 cm³/min durch diese statische Mischanordnung gepumpt. Der Gegendruck der durch den statischen Mischer passierenden viskosen Schmiere betrug 1391 psi, und die hergestellte Teilchengröße betrug 0,168 μm, d. i. kleiner als das für dieses Produkt akzeptierbare Maximum von 0,200 μm.
Es wurde versucht, den Temperaturanstieg zu minimieren. Die Zufuhr an Öl und an kontinuierlicher Phase zu der Umlauf-Fließstrecke betrug insgesamt 736 g/min (etwa 740 cm³/min). Die Umlaufpumpe war auf eine Pumprate von 2666 cm³/min eingestellt. Der Fluss der Rohemulsion, die aus der Umlauf-Fließstrecke in die Auslassleitung 60 in Richtung auf die Druckerhöhungspumpe 200 gedrückt wurde, war gleich der Zufuhrrate des Ausgangsmaterials von 740 cm³/min, so dass 1926 cm³/min Rohemulsion an die Einlassseite der Umlaufpumpe rückgeführt wurden.
Am T-Stück der Zuführung der kontinuierlichen Phase wurde der Fluss der rückgeführten Emulsion von 1926 cm³/min mit der Zufuhr der kontinuierlichen Phase von etwa 190 cm³/min (185 g/min) kombiniert, um einen Gesamtfluss der kontinuierlichen Phase von etwa 2116 cm³/min zu ergeben. Der Strom der kontinuierlichen Phase wurde am T-Stück der Ölzuführung in der Nähe der Einlasses der Umlaufpumpe mit dem Strom der dispergierten Phase (Aminosiliconöl) kombiniert. Die volumenbezogene Zufuhr des Aminosiliconöls betrug etwa 551 cm³/min (551 g/min). Die beiden Ströme wurden zu der ersten statischen Mischeranordnung gepumpt, in der das kleinere Volumen Öl leicht in das größere Volumen der Emulsion/kontinuierlichen Phase dispergiert wurde, um eine homogene Rohemulsion zu ergeben.
Der Druck an der Ausstoßseite der Umlaufpumpe 20 betrug 200 psi, und der Druck stromabwärts bezogen auf die erste statische Mischeranordnung 40 betrug 180 psi. Der größte Teil dieses Druckabfalls von 20 psi war durch das Fließen durch den statischen Mischer bedingt. Die zweite statische Mischeranordnung 710, die an der Einlassseite der Umlauf-Fließstrecke angeordnet war, war zu dem Zweck eingerichtet, den Druck am Einlass der Umlaufpumpe zu verringern. Der Druck am Umlaufeinlass, nämlich 170 psi, wurde am Druck der in dem senkrechten Standrohr 740 gefangenen Luft gemessen, in dem ein unter Druck stehendes Ausgleichsvolumen der Emulsion gehalten wurde.
Auf dieser Grundlage betrug der gesamte Druckabfall entlang der Umlauf-Fließstrecke nur etwa 30 psi, und es wurde der intermediären Emulsion nur vergleichsweise wenig Wärme zugeführt. Die mittlere Temperatur der kombinierten Zufuhren der kontinuierlichen Phase und des Öls betrug etwa 22 °C. Die berechnete Scherrate (für eine Newton-Flüssigkeit) durch die statischen ¾-Inch Koch-Mischer in der Umlauf-Fließstrecke betrug etwa 300 sec^–1.
Die Rohemulsion trat an einem T-Stück der Leitung stromabwärts bezogen auf den ersten statischen Mischer aus der Umlauf-Fließstrecke in die Auslassleitung 60 aus. Die Teilchengröße der Rohemulsion betrug 1,118 μm. Der Druck von 180 psi an diesem Auslass-T-Stück drückte 740 cm³/min Rohemulsion an den Einlass der Druckerhöhungspumpe, an dem ein Druck von 157 psi aufgezeichnet wurde. Auf Grund eines Schlupfs der Pumpe wurde die Druckerhöhungspumpe mit einer Rate von 1410 cm³/min betrieben, um einen vergleichsweise konstanten Einlassdruck aufrecht zu erhalten und somit die Flüsse miteinander abzugleichen.
Die Temperatur der aus dem Auslass der Druckerhöhungspumpe austretenden Schmiere betrug 25 °C. Anschließend wurde sie durch die statische Koflo-Mischeranordnung 730 mit 48 Elementen geführt, um das HIPR-Emulsions-Endprodukt mit einer Teilchengröße von 0,168 μm zu ergeben. Auf Grund des Druckabfalls von 1391 psi konnte die Temperatur des Endprodukts 31 °C nicht übersteigen. Das Verringern der Teilchengröße von 1,118 μm auf 0,168 μm erforderte eine viel größere Scherrate als die Herstellung der HIPR-Emulsion in der Umlauf-Fließstrecke. Die berechnete Scherrate bei einem Durchsatz von 740 cm³/min Schmiere durch den statischen Koflo-Mischer mit 0,132 Inch Innendurchmesser betrug etwa 6.300 sec^–1 (für eine Newton-Flüssigkeit).
BEISPIEL 2
Es wurde ein einstufiges RGL-Verfahren (ohne sekundäres Scheren) unter Verwendung der gleichen Ausgangsmaterialien wie in Beispiel 1 durchgeführt. Die Konzentrationen waren die gleichen, mit der Ausnahme, dass das Verhältnis von Ausgangswasser zu Emulgatoren etwa 0,6:1 betrug. Die Zufuhrrate (oder der Durchsatz) betrug 460 g/min (etwa 460 cm³/min). Die Schmiere wurde mit 6500 cm³/min durch einen statischen Koflo-Mischer mit 0,132 Inch Innendurchmesser und 17 Mischelementen rückgeführt. Dies ergab ein Verhältnis von Rückführungsrate zu Zufuhrrate von etwa 14:1. Die Rückführungsrate von 6500 cm³/min erzeugte einen Druckabfall von etwa 1180 psi entlang des statischen Koflo-Mischers. Der Ausstoßdruck der Umlaufpumpe betrug 1460 psi, der Druck am Auslass der Schleife betrug am Gegendruckregulator 280 psi, und der Druck am Einlass der Umlaufpumpe betrug 260 psi. Die aus der Umlauf-Fließstrecke austretende Schmiere wies eine mittlere Teilchengröße von 0,149 μm für das gleiche Aminopolysiloxan-Emulsionsprodukt wie in Beispiel 1 auf. Die Temperatur der Schmiere beim Entnehmen betrug 70 °C, obwohl geschätzt wird, dass die stationäre Temperatur etwa 80 °C erreichte. Die hohe Rückführungsrate bewirkte eine sehr hohe Scherrate, die auf 56.000 sec^–1 (für eine Newton-Flüssigkeit) geschätzt wurde. Dieses Beispiel veranschaulicht, dass bei dem einfacheren einstufigen RGL-Verfahren eine kleine Teilchengröße erhalten werden kann, dass aber die benötigte höhere Rückführungsrate (und damit die höhere Scherrate) zu viel höheren Temperaturen führt. Falls diese höhere Temperatur die Emulsion nicht schädigt, kann das einstufige RGL-Verfahren wegen seiner Einfachheit bevorzugt sein.
An den hier beschriebenen Ausführungsformen können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden. Beispielsweise können Modifikationen der Vorrichtung und der Betriebsbedingungen zum Herstellen der HIPR-Emulsion durchgeführt werden, um die Herstellung des gewünschten Endprodukts zu verbessern. Daher sollte die vorstehende Beschreibung nicht als beschränkend ausgelegt werden, sondern lediglich als Beispiel von bevorzugten Ausführungsformen. Dem Fachmann werden andere Modifikationen innerhalb des Rahmens und des Geistes der vorliegenden Beschreibung vorstellbar sein.

Claims

Kontinuierliches Verfahren zum Herstellen einer Silicon-in-Wasser-Emulsion mit einem hohen Gehalt an innerer Phase, umfassend: a) Bereitstellen einer Menge einer kontinuierlichen Phase in einem System; b) Zugeben einer Menge einer dispergierten Phase zu dem System; c) Bereitstellen einer schwach scherenden Vorrichtung zum Mischen der kontinuierlichen Phase und der dispergierten Phase, und dadurch Bilden einer intermediären Emulsion; d) schrittweises Zugeben von zusätzlichen Mengen der dispergierten Phase zu der intermediären Emulsion unter Scheren; e) Aufrechterhalten der Mengen der kontinuierlichen Phase und der dispergierten Phase in dem System durch kontinuierliches Zugeben von zusätzlichen Mengen von jeder davon zu dem System; und f) Entnehmen einer Silicon-in-Wasser-Emulsion mit einem hohen Gehalt an innerer Phase aus dem System bei deren laufender Herstellung, wobei das System entweder ein Umlaufstromsystem mit Rückführung der Schmiere (recycled grease recirculation flow; „RGL"), ein kontinuierliches Rührtanksystem (continuous stirred tank; „CTS") oder ein gestuft statisches Mischersystem (staged static mixer; „SSM") ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das System umfasst: a) wenigstens eine Pumpe zum kontinuierlichen Zuführen der Komponenten der kontinuierlichen Phase zu einer Fließstrecke; b) wenigstens eine Pumpe zum kontinuierlichen Zuführen der dispergierten Phase zu der Fließstrecke; c) Vorrichtungen zum Definieren einer Umlauf-Fließstrecke, die zum Auf nehmen der Phasen aus der Fließstrecke eingerichtet ist; d) eine Umlaufpumpe, die in der Umlauf-Fließstrecke angeordnet ist; e) Schervorrichtungen, die zum Emulgieren der Phasen in der Umlauf-Fließstrecke eingerichtet sind; f) einen Auslass, der zum Ermöglichen des Austretens eines Teils der Silicon-in-Wasser-Emulsion mit einem hohen Gehalt an innerer Phase aus der Umlauf-Fließstrecke eingerichtet ist, wobei die intermediäre Emulsion, die in der Umlauf-Fließstrecke zurückbleibt, weiter durch diese fließt; und g) einen Einlass, der das fortgesetzte Zirkulieren der intermediären Emulsion, die in der Fließstrecke zurückbleibt, in der Umlauf-Fließstrecke ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die kontinuierliche Phase Wasser und wenigstens ein Emulgiermittel umfasst.
Verfahren nach einem der vorsngehenden Ansprüche, wobei die dispergierte Phase eine Siliconverbindung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polydimethylsiloxanen, organisch modifizierten Polydimethylsiloxanen und Siliciumdioxid-gefüllten Polydimethylsiloxanen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die verdünnte Endprodukt-Emulsion eine Viskosität im Bereich von etwa 1 cp bis etwa 10.000 cp aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das System umfasst: a) ein geschlossenes Druckgefäß; b) wenigstens eine Pumpe zum kontinuierlichen Zuführen der kontinuierlichen Phase in das Gefäß; c) wenigstens eine Pumpe zum kontinuierlichen Zuführen der dispergier ten Phase in das Gefäß; d) Rührwerke in dem Gefäß, die eine intermediäre Emulsion herstellen können; und e) einen Auslass, der zum Ermöglichen des Austretens eines Teils der Silicon-in-Wasser-Emulsion mit einem hohen Gehalt an innerer Phase aus dem geschlossenen Gefäß über eine Auslassleitung eingerichtet ist, wobei die intermediäre Emulsion in dem Gefäß verbleibt und um läuft.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die kontinuierliche Phase Wasser und wenigstens ein Emulgiermittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die dispergierte Phase eine Siliconverbindung, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polydimethylsiloxanen, organisch modifizierten Polydimethylsiloxanen und Siliciumdioxid-gefüllten Polydimethylsiloxanen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das verdünnte Endprodukt mittlere Teilchengrößen im Bereich von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 30 Mikrometer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die verdünnte Endprodukt-Emulsion eine Viskosität im Bereich von etwa 1 cp bis etwa 10.000 cp aufweist.