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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Partikeldispersionen
in einer Mühle
mit Mahlkörpern.
Spezifischer betrachtet bezieht sich die Erfindung auf ein verbessertes
Mahlverfahren mit Mahlkörpern,
bei welchem eine gute Fluidisierung des Mahlkörpers, ein vorhersagbares Verhalten
beim Aufskalieren, eine wirksame Verringerung der Partikelgröße, eine
geringe Verunreinigung und Verbesserungen bei der Leistungsfähigkeit
der endgültigen
Dispersion verwirklicht werden können.
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Mühlen mit
Mahlkörpern
werden in einem steigenden Maße
verwendet zum Mahlen von Farbstoffen für Tinten und für Beschichtungen,
etwa bei Anstrichmaterialien für
Automobile. Solche Mühlen
können
Materialien zerkleinern, typischer ist es aber wenn sie dahingehend
wirken, Partikel aus ihrer Agglomerierung zu lösen und das Dispergieren zu
fördern.
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Herkömmliche
Mühlen
mit Mahlkörpern,
welche für
die kommerzielle Produktion verwendet werden, weisen gewöhnlich eine
Kammer auf, welche mit einem Rührwerk
ausgestattet ist, wobei das Mahlen dadurch vor sich geht, dass die
Mahlkörper
mit einer Aufschlämmung
fluidisiert werden. Die Aufschlämmung
wird gewöhnlich
kontinuierlich zugeführt
und gewöhnlich
ist ein Trennsieb an dem Ausgang der Kammer vorhanden, um den Durchgang
der Aufschlämmung
und die Zurückhaltung
der Mahlkörper
zu ermöglichen.
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Kleinere
Mahlkörper
erlauben ein wirkungsvolleres Mahlen und schlussendlich eine kleinere
Partikelgröße; in dem
Maße wie
die Mahlkörper
kleiner werden, wird es jedoch schwieriger eine Trennung zu vollziehen,
und der sich an dem Separator (auf Grund der hydraulischen Verdichtung)
aufbauende Druck wird unannehmbar. Für die meisten kommerziellen
Anwendungen sieht man für
die Mahlkörper
eine Größe von 0,35
mm als die praktische untere Grenze an.
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Eine
bessere Fluidisierung des Mahlkörpers
liefert ein schnelleres und wirkungsvolleres Mahlen. Die bekannte
Technik gemäß dem Patent
US 5,022,592 (Zakheim et
al.) ist auf eine verbesserte Fluidisierung ausgerichtet.
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Bei
ganz besonders anspruchsvollen Nachfragen im Bereich der Anwendungen
für den
Endgebrauch, etwa bei der Herstellung von Tinten für die Tintenstrahlauftragung
und von Anstrichmaterialien für
Automobile, ist die Art des Mahlkörpers wichtig. Zerbröckelnde
Mahlkörper,
wie etwa Glas oder Keramik, können
Scherben des zerbrochenen Mahlkörpers
in der Dispersion zurücklassen,
welche enge Durchlassöffnungen
der Druckköpfe
für den
Tintenstrahl verstopfen können.
Metallische Mahlkörper
wie etwa solche aus rostfreiem Stahl und aus Zirkon hinterlassen
Spuren von Metall in der Dispersion, welche eine Entfärbung und,
in einigen Fällen, eine
elektrische Fehlfunktion des Druckkopfes verursachen. Eine Verunreinigung
mit Zirkon kann auch das Aussehen von Beschichtungen bei Automobilen
negativ beeinflussen, zum Beispiel durch eine Verringerung des Durchscheinens
von Aluminium und Mika enthaltenden Farben.
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Um
einige der Probleme der Verunreinigung durch den Mahlkörper zu
vermeiden, lehrt das Patent
US 5,891,231 (Gnerlich
et al.) die Verwendung von Mahlkörpern
aus Kunststoff, vorzugsweise aus Polystyrol und vorzugsweise in
einer Kugelform.
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Die
oben erwähnten
Offenbarungen werden durch die bloße Referenznahme für alle Zwecke
mit hierin eingebunden, so wie dies hierin vollständig dargelegt
wird.
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Es
besteht immer noch ein Bedarf an verbesserten Mahlverfahren mit
Hilfe von Mahlkörpern,
insbesondere für
die Produktion von Farbdispersionen für Anwendungen mit hohen Leistungsfähigkeiten
bei den Endanwendungen, wie etwa bei Tinten für Tintenstrahlanwendungen und
für Außenanstrichmaterialien
bei Fahrzeugen, etwa bei Automobilen und Lastwagen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Verwendung kubischer Mahlkörper
wurde allgemein in dem vorher eingebunden Patent U.S. 5,891,231
erwähnt,
aber die kugelförmigen
Mahlkörper
wurden als die bevorzugten Mahlkörper
erwähnt.
Tatsächlich
besteht ein allgemeiner Glaube auf diesem Gebiet, demzufolge die
einzige brauchbare Form eines Mahlkörpers eine Kugel ist, zumindest
für irgendeine
Art von kommerzieller Mahlbetriebsweise mit Hilfe eines Mahlkörpers, und
dass in dem Fall wo Mahlkörper
eingesetzt werden, welche scharfe Kanten aufweisen – wie etwa
bei einer kubischen Form – diese
Mahlkörper
schlecht fluidisieren und lediglich dazu neigen, eher sich selbst
zu zermahlen als die Aufschlämmung.
Im Gegensatz dazu hat man nun überraschenderweise
herausgefunden, dass ein Mahlkörper
aus Kunststoff, welcher im Wesentlichen eine kubische Form aufweist,
vorteilhaft zum Mahlen und dauerhaft gegen Abreibung ist, und dass
derselbe für
die Herstellung von Tintenstrahl- und Automobilanstrichfarbdispersionen
mit einer Größe von 0,3
bis 1,0 mm besonders wirksam ist.
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Demgemäß liefert
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Farbdispersion,
Verfahren welches den Schritt des Mahlens einer Farbaufschlämmung in
einer Mühle
mit Mahlkörpern
in Anwesenheit eines Mahlkörpers
aufweist, und zwar unter Bedingungen zur Durchführung einer Verringerung der Partikelgröße und/oder
der Dispersion des Farbstoffes, und welches dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Körper
zum Mahlen ein aus Kunststoff bestehender und im Wesentlichen kubischer
Mahlkörper
ist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
besteht der Farbstoff aus einem Tintenfarbstoff für einen
Tintenstrahl und die Farbdispersion ist geeignet zum Herstellen
einer Tinte für
einen Tintenstrahl.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
besteht der Farbstoff aus einer Anstrichfarbe für Automobile und die Farbdispersion
ist geeignet zum Herstellen von Außenanstrichmaterialien für Fahrzeuge, etwa
für Automobile
und Lastwagen. Zum Beispiel werden die Dispersionen gemäß dieser
Erfindung zu einer Vielfalt von Automobillacken oder von Anstrichzusammensetzungen
hinzugefügt,
etwa zu Primern, zu Grundierspachtelmassen, zu Deckbeschichtungen,
welche Monobeschichtungen sein können,
oder zu Grundbeschichtungen einer Klarbeschichtung/Grundbeschichtung
oder zu einer Trippelendbeschichtung. Bei dieser Anwendung werden
die Pigmente typischerweise in die Beschichtung eingeführt, indem
man zuerst die Farbdispersion mit einem geeigneten Träger und
mit irgendeinem der den Film bildenden Polymere herstellt, welche
in der Beschichtungszusammensetzung verwendet werden, oder mit einem
anderen verträglichen
Polymer oder Dispergiermittel. Die Farbdispersion wird dann mit
den anderen Stoffbestandteilen gemischt, welche in der Beschichtungszusammensetzung
verwendet werden. Die Strahlabdeckungsfähigkeit bei der Beschichtung
wird verbessert, wenn die Beschichtung mit einem kubischen Mahlkörper aus
Kunststoff in einer Mühle mit
Mahlkörpern
hergestellt wird, dies verglichen mit Grunddispersionen von Carbon
Black bzw. Russ, welche durch ein herkömmliches Zerkleinern in Mühlen mit
Mahlkörpern
bearbeitet werden, wobei die Mühlen
kugelförmige
Mahlkörper
verwenden.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung leichter
von den Experten auf diesem Gebiet verstanden werden. Man wird erkennen,
dass bestimmte Merkmale der Erfindung, welche der Klarheit wegen
weiter oben und weiter unten im Zusammenhang von getrennten Ausführungen
beschrieben werden, auch in Kombination in einer einzigen Ausführung vorgesehen
werden können.
Umgekehrt können
verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung, welche nur im
Zusammenhang mit einer einzigen Ausführung beschrieben werden, um
in einer Kurzform zu bleiben, auch getrennt oder in irgendeiner
Unterkombination vorgesehen werden können. Zusätzlich können Referenzen im Singular
auch den Plural überdecken
[zum Beispiel kann „ein(e)" (Singular) sich
beziehen auf ein(e) als solche oder auf sowohl ein(e) als auch mehrere],
es sei denn der Zusammenhang drückt
etwas anderes aus.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Wie
oben angegeben besteht der in der vorliegenden Erfindung verwendete
Mahlkörper
aus Kunststoff und er ist im Wesentlichen kubisch. Unter dem Ausdruck "im Wesentlichen" kubisch ist gemeint,
dass der Mahlkörper
von Natur aus kubisch ist, aber dass die Dimensionen, Ecken und
Eckwinkel nicht exakt diejenigen eines perfekten Würfels zu
sein brauchen. Zum Beispiel können
kubische Mahlkörper
durch ein Extrusionsverfahren hergestellt werden und sie können, als
ein Ergebnis des Herstellungsverfahrens, leicht gerundete Ecken
aufweisen sowie Kantendimensionen, die nicht perfekt gleich sind,
einige Kantenwinkel, die nicht exakt rechtwinklig sind, oder andere
kleinere „Unregelmäßigkeiten". Unter dem Ausdruck "im Wesentlichen" kubisch werden daher
solche Materialien verstanden, welche innerhalb der allgemein zulässigen Toleranzen
im Rahmen ihrer kommerziellen Fertigung als kubisch betrachtet werden,
so wie es ein Experte auf diesem Gebiet verstehen wird.
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Die
Größe der im
Wesentlichen kubischen Mahlkörper
(Kantendimension) beträgt
etwa 0,3 bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,35 bis 0,80 mm und mit dem stärksten Vorzug
etwa 0,5 mm. Man zieht es vor, wenn alle kubischen Mahlkörper im
Wesentlichen dieselbe Größe aufweisen.
Der Ausdruck "im
Wesentlichen" hat
in dem vorliegenden Zusammenhang den Zweck, Abweichungen innerhalb
der normalen kommerziellen Herstellungstoleranzen mit einzuschließen, so
wie dies von den Experten auf diesem Gebiet gut verstanden wird.
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Wie
vorher bereits erwähnt,
ist eine leichte Fluidisierung des Mahlkörpers für die Leistungsfähigkeit der
Mühle vorteilhaft.
Eine Möglichkeit,
um die Fluidisierung zu unterstützen,
besteht darin, die Dichte des Mahlkörpers auf diejenige der zu
mahlenden Aufschlämmung
abzustimmen. Dies jedoch ist nicht die übliche Praxis. Nimmt man zum
Beispiel die Herstellung einer Dispersion einer Tinte für die Tintenstrahlanwendung, so
besteht der Träger
gewöhnlich
aus Wasser und die zu mahlenden Partikel sind typischerweise organische Pigmentfarbstoffe.
Als solche liegt die Dichte (bei Umgebungstemperatur) einer Farbaufschlämmung bei 15–20 Gewichtsprozent
(bezogen auf das Gesamtgewicht der Aufschlämmung) typischerweise zwischen
1,05 bis 1.25 g/ml. Mahlkörper,
welche aus dem gewöhnlichen
Material hergestellt werden, etwa aus Silikat, Keramiken und Metallen,
weisen eine relative Dichte des Mahlkörpers auf, welche viel größer als
die Dichte der Aufschlämmung
ist, und sie neigen dazu, sich auf den Boden der Mahlkammer abzusetzen.
Es bedarf einer großen
Energie, um den Mahlkörper
zu fluidisieren und es gibt oft Bereiche von Inhomogenität.
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Die
Dichte des Mahlkörpers
aus Kunststoff ist daher vorzugsweise eine Angelegenheit einer wesentlichen
Anpassung der Dichte der zu mahlenden Aufschlämmung. In diesem Zusammenhang
zieht man es vor, dass die relative Dichte des Mahlkörpers größer als
oder genauso groß sein
soll wie diejenige von Wasser und dass sie innerhalb von +/–20%, stärker bevorzugt
innerhalb von +/–15%
und ganz besonders bevorzugt innerhalb von +/–10% von derjenigen der zu
mahlenden Aufschlämmung
liegen soll. Von dem Standpunkt der Anwendung für den Endgebrauch bei der Herstellung
von Farbdispersionen bei Tinten für die Tintenstrahlanwendung
oder von Farbdispersionen für
den Außenanstrich
weist der Mahlkörper
vorzugsweise eine relative Dichte in dem Bereich zwischen 1,0 und
1,3 auf, stärker
bevorzugt zwischen 1,04 und 1,25, am stärksten bevorzugt zwischen 1,07
und 1,2.
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Der
Kunststoff ist vorzugsweise ein zähes Kunststoffmaterial für die Weiterverarbeitung,
wie etwa Polyamidnylon (relative Dichte im Allgemeinen um etwa 1,14)
oder Polycarbonat (relative Dichte im Allgemeinen um etwa 1,2).
Der Ausdruck Kunststoff schließt
auch Kunststoffmaterial mit ein, welches gefüllt ist oder welches zusammengesetzt
ist. Ein besonders bevorzugter Kunststoff ist ein Polyamidnylon,
bei welchem man herausgefunden hat, dass derselbe sich gut anpasst
bei den Tintenstrahlaufschlämmungen
und bei den Aufschlämmungen
für Außenanstrichmaterialien,
die hier von einem besonderen Interesse sind, und dass derselbe
eine gute Fluidisierung zeigt, wenn er in Kombination mit solchen
Aufschlämmungen
verwendet wird.
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Die
zu mahlenden Aufschlämmungen
können
solche sein, welche unlösliche
Farbstoffe enthalten. Die Farbstoffe sind typischerweise anorganische
und organische Pigmente, Dispersionsfarbstoffe und dergleichen.
Ebenfalls mit eingeschlossen sind Farbstoffe, welche eine Oberflächenbehandelung
erfahren haben, wie etwa diejenigen die als "selbst-dispergierend" ("self-dispersing") (siehe WO 01/94476)
beschrieben werden. Die Farbstoffbeladung liegt typischerweise zwischen
10 und 30 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 15 und 20 Gewichtsprozent,
bezogen auf das gesamte Gewicht der Aufschlämmung.
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Dispersionen
für Automobilanstrichmaterialien
und dergleichen beruhen auf Pigmenten, sowohl auf anorganischen
als auch auf organischen. Da anorganische Pigmente im Allgemeinen
höhere
Dichten im Vergleich zu organischen Pigmenten aufweisen, kann die
Dichte der Automobildispersionen so hoch wie 1,35 g/ml (1,05 bis
1,35) sein.
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Im
Gegensatz zu einer Tintenstrahlanwendung, bei welcher die Anforderung
an die Partikelgröße des Pigments
darin besteht, das Substrat (Papier) wirksam zu verbergen, ohne
dass dabei die engen Durchlassöffnungen
in dem Tintenstrahldruckkopf verstopft werden, besteht die Notwendigkeit
bei Farbdispersionen für Automobile
darin, sehr transparent für
die Aluminium und Mika enthaltenden Farben zu sein und sehr strahlundurchsichtig
für schwarze
Farben zu sein. Der geeignete hohe Grad an Transparenz oder die
Strahlabdeckungsfähigkeit,
wie es eben zutreffen mag, erfordert eine wirksame Verringerung
der Partikelgröße des Pigments
während
der Dispersionsbearbeitung durch die Mühle. Tatsächlich ist der höchst mögliche Grad
an Auflösung
der Agglomerierung wünschenswert
und diese führt
typischerweise zu einer Verbesserung des Aussehens und zu einer
besseren Pigmentverwertung.
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Der
Träger
beruht vorzugsweise auf Wasser, obwohl dies nicht unbedingt notwendig
ist. Auf Wasser beruhende Mittel bestehen aus Wasser und wahlweise
aus wasserlöslichen
Co-Lösungsmitteln.
Der Träger kann
ein Dispergierungsmittel, ein Antischaummittel und/oder irgendein
anderes für
die Formulierung nützliches
Ingrediens enthalten. So wie hierin verwendet bedeuten die Begriffe
Farbaufschlämmung
und Farbdispersion im Wesentlichen ein und dasselbe, aber die Bezugnahme
auf eine Dispersion weist im Allgemeinen auf eine fertige Aufschlämmung hin,
welche vollständig
gemahlen ist.
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Die
Mühle kann
irgendeine herkömmliche
Mühle sein,
einschließlich
derjenigen, die im Handel erhältlich
sind bei Netzsch, Inc. (Exton, PA) und Premier Mill (Reading, PA).
Um eine Verunreinigung durch Metall zu verringern, sind die drehenden
Teile der Mühle,
welche mit der Aufschlämmung
in Kontakt treten, vorzugsweise aus Kunststoff oder sie sind mit
Kunststoff bekleidet. Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft für Mühlen, welche
in einem kontinuierlichen Betriebsmodus arbeiten. Die vorliegende
Erfindung ist weiterhin besonders vorteilhaft für Mahlarbeitsgänge auf
einem kommerziellen Betriebsumfang, wobei die Mahlkammer ein Volumen
von mindestens 1,5 Liter aufweist, oder noch besser ein Volumen
von mindestens 15 Liter. Die allgemeinen Details von geeigneten
Mühlen
und Mahlbedingungen sind den Experten auf diesem Gebiet gut bekannt.
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Die
gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Farbdispersionen sind besonders nützlich für die Herstellung
einer Tinte für
einen Tintenstrahl und von Farbstoffen für Außenanstrichmaterialien für Fahrzeuge. In
dem Fall von Tintenstrahldispersionen, welche allgemein höher in der
Farbstoffkonzentration liegen als dies für fertige Tinten (Konzentrate)
erforderlich ist, werden die Dispersionen mit einer geeigneten Formulierung
von Ingredienzien gemischt und soweit verdünnt, wie dies notwendig ist,
um eine Tinte mit den gewünschten
Eigenschaften zu erhalten.
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Die
Ingredienzien für
eine Tintenformulierung können
sich erstrecken auf ein oder auf mehrere Dispergiermittel, Benetzungsmittel,
Bindemittel, Antischaummittel, Befeuchter und Co-Lösungsmittel,
so wie dies den Experten auf diesem Gebiet halt gut bekannt ist.
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Weitere
Einzelheiten von Tinten für
Tintenstrahlanwendungen, für
Komponenten und Formulierungen sind denjenigen, die Experten auf
diesem Gebiet sind, im Allgemeinen gut bekannt, wie dies in der
Form eines Beispieles dargestellt ist, und zwar sowohl durch die
oben mit eingebundenen Patente
US
5,891,231 und WO 01/94476 als auch durch
US 5,085,698 ,
US 5,231,131 ,
US 5,272,201 und
US 5,519,085 .
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Dieselben
Betrachtungen sind wichtig bei Automobilanstrichmaterialien, wo
Pigmentdispersionen gewöhnlich
mit anderen gut bekannten Komponenten vermischt werden, dies gemäß den normalen
Techniken zur Herstellung von Anstrichmaterialien. Für Formulierungen
von Außenanstrichmaterialien
können
die Aufschlämmungen
andere die Anstrichmaterialien formulierende Stoffbestandteile enthalten,
einschließlich
von einem oder von mehreren Dispergiermitteln, Benetzungsmitteln,
Bindestoffen, Vernetzungsmitteln, Katalysatoren, Antischaummitteln,
UV Verstärkungsmitteln,
Mitteln zur Steuerung der Rheologie und Co-Lösungsmitteln sowie auch andere
Zusatzstoffe, von der Art wie sie notwendig sind, um die Stabilität, die Benetzung
und die Anwendung zu gewährleisten,
was den Experten auf diesem Gebiet gut bekannt ist.
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Für derartige
Formulierungen von Außenanstrichmaterialien
kann ein Anstrichmaterial für
ein Automobil aus einem Anstrichmaterial bestehen, welches ein Primer,
eine Grundierspachtelmasse oder eine Deckbeschichtung sein kann,
welche aus einer Monobeschichtung oder aus einer Grundbeschichtung
für eine
Klarbeschichtung/Grundbeschichtung oder aus einem Oberflächenlack
für eine
Dreifachbeschichtung bestehen kann.
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Weitere
Details hinsichtlich eines Dispergierens von Farbstoffen für Außenanstrichmaterialien
für Fahrzeuge,
wie etwa für
Automobile und Lastwagen, von Komponenten sowie von Formulierungen,
sind denjenigen im Allgemeinen gut bekannt, welche Experte auf diesem
Gebiet sind.
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Außenanstrichmaterialien
für Fahrzeuge,
wie etwa für
Automobile und Lastwagen, welche unter Verwendung von im Wesentlichen
kubischen Mahlkörpern
in einer Mühle
mit Mahlkörpern
hergestellt werden, führen
zu einem Anstrichmaterial, insbesondere zu einem schwarzen Anstrichmaterial,
welches sowohl eine gute Fluidisierung des Mahlkörpers, ein vorhersagbares Verhalten
beim Aufskalieren, eine wirksame Verringerung der Partikelgröße, eine
geringe Verunreinigung und Verbesserungen der Leistungsfähigkeit
der endgültigen Dispersion
aufweisen kann, als auch eine verbesserte Strahlabdeckungsfähigkeit
bei der endgültigen
Beschichtung.
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BEISPIELE
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Beispiel 1 – Kubischer
Mahlkörper
aus Polyamid verglichen mit einem kugelförmigen Mahlkörper aus
Polystyrol und Zirkonoxid für
Formulierungen für
eine Tintenstrahlanwendung.
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Drei
Typen von Mahlkörpern
wurden ausgewählt,
um Dispersionen von Tintenkonzentraten herzustellen. Die physikalischen
Eigenschaften der Mahlkörper
werden in der Tabelle 1 dargelegt. TABELLE
1 – PHYSIKALISCHE
EIGENSCHAFTEN VON MAHLKÖRPERN*
- * Von Norstone, Inc., Wyncote, PA
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Drei
getrennte, wasserhaltige Vormischaufschlämmungen eines blauen Pigmentes
wurden hergestellt, indem man die nachfolgenden Ingredienzien mischte,
so wie sie in der Tabelle 2 dargelegt sind. Flüssige Ingredienzien wurden
zuerst in ein 2,5 Gallonen fassendes Hochgeschwindigkeitsdispergiergerät (HSD =
High Speed Disperser) geladen. Nachdem die flüssigen Ingredienzien während einer
Zeitdauer von 30 Minuten bei einer geringen Geschwindigkeit (1000
Umdrehungen pro Minute = UpM) gemischt worden waren, wurde das blaue
Pigment geladen. Dann wurde die HSD-Geschwindigkeit bis auf 4000
UpM erhöht,
um alle Ingredienzien während
einer Zeitdauer von 2 Stunden zu vermischen. TABELLE
2 – KOMPONENTEN
EINER HSD-VORMISCHAUFSCHLÄMMUNG
- * 13//13/7,5 Benzylmethacrylat//methacrylsäure/ethoxytriethylenglycolmethacrylat
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Sobald
die HSD-Vormischaufschlämmung
hergestellt war, wurde sie in einen 5 Gallonen fassenden Bearbeitungsbehälter überführt, welcher
mit einem Rührwerk
für eine
geringe Geschwindigkeit (< 250
UpM) ausgestattet war. In diesen Rührwerkbehälter wurden 2917,0 g zusätzliches
deionisiertes Wasser hinzugetan, um die Vormischung derart zu verdünnen, dass
sie für
das Mahlen mit Mahlkörpern
geeignet war. Die relative Dichte dieser endgültigen Vormischaufschlämmung betrug
1,12.
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Eine
2,0 Liter Supermill SM2 (Premier Mill, Reading, PA) wurde als Mühle mit
Mahlkörpern
verwendet, um diese drei wässrigen
Aufschlämmungen,
eine jede 2,5 Gallonen umfassend, dadurch zu bearbeiten, dass man
drei verschiedene Typen von Mahlkörpern einsetzte. Die Arbeitsbedingungen
für die
SM2 waren dabei wie folgt: 85% Beladung mit Mahlkörpern, 2.5
GPH Produktfließrate,
2400 FPM Mahlgeschwindigkeit und 0,2~0,3 mm Sieb. Eine peristaltische
Pumpe (Randolph M500) wurde verwendet, um die Aufschlämmungen von
dem Boden des Rührwerkbehälters durch
die SM2 zurück
an die Oberseite des Rührwerkbehälters zu
führen.
Dieses Mahlen mit Mahlkörpern
unter wiederholter Zirkulation wurde während einer Zeitdauer von 16 Stunden
mit einer Verweilzeit von 102,8 Minuten durchgeführt.
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Nachdem
das Mahlen abgeschlossen war, wurde eine jede Aufschlämmung analysiert
hinsichtlich der Verteilung der mittleren Partikelgröße und der
kumulierten Partikelgröße mit Hilfe
eines Microtrac UPA-150 Gerätes
(Largo, FL) mit einem Verdünnungsfaktor
von kleiner als 1. Die Tabelle 3 zeigt die mittlere Partikelgröße und ihre
Verringerung für
drei verschiedene Mahlkörper.
Es kann festgestellt werden, dass ein im Wesentlichen kubischer
Mahlkörper
aus Polyamid zu der kleinsten mittleren Partikelgröße führt, etwa
20% kleiner als diejenige von kugelförmigen Mahlkörpern aus
Polystyrol. Auf einer normalisierten Basis kann zum direkten Vergleich
der Verringerung der Partikelgröße, die
Pigmentagglomerierungsgröße in der
Vormischung mit Hilfe von Mahlkörpern
aus Polyamid auf den niedrigsten Grad zerkleinert werden. Geht man
von der ähnlichen
relativen Dichte zwischen dem Polyamid (1,13) und dem Polystyrol
(1,03) aus, so wird der Unterschied in der Mahlkörperform, d.h. kubisch gegenüber kugelförmig, dem
Unterschied in der Partikelgröße zugeschrieben.
Die Tabelle 3 zeigt, dass eine Verbesserung der Verringerung der
Partikelgröße um 15%
verwirklicht werden kann, indem man einen kubischen Mahlkörper aus
Polyamid anstelle eines kugelförmigen
Mahlkörpers
aus Polystyrol von derselben Größe verwendet.
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Was
nun einen Mahlkörper
aus Zirkonoxid anbetrifft, so führte
dieser nicht zu einer besseren Verkleinerungswirkung als ein Mahlkörper aus
Polyamid, was einen Hinweis darauf liefert, dass eine höhere Materialdichte
nicht mit aller Deutlichkeit von Vorteil ist, wenn es sich um die
Verringerung der mittleren Partikelgröße handelt. Darüber hinaus
kann die Verunreinigung durch Metall auf Grund der Verwendung eines
Mahlkörpers vom
Typ eines harten Zirkons eine Entfärbung der Tinte und ein mögliches
Versagen der Druckköpfe
verursachen. Zirkonoxid wird daher nicht bevorzugt, wenn es darum
geht eine Tintendispersion herzustellen.
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TABELLE
3 – MITTLERE
PARTIKELGRÖßE UND IHRE
VERRINGERUNG FÜR
VERSCHIEDENE MAHLKÖRPER
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Die
Tabelle 4 zeigt die Verteilungen der kumulierten Partikelgröße für die endgültigen Dispersionen, welche
durch einen Mahlkörper
aus Polyamid, aus Polystyrol und aus Zirkonoxid hergestellt wurden.
Wieder führt
der Mahlkörper
aus Polyamid konsistent zu einer kleineren Partikelgröße als derjenige
aus Polystyrol, dies über
den gesamten Bereich hinweg. Dies ist weiterhin der Beweis für den Vorteil
und die Verbesserung, die sich aus der Verwendung von 0,5 mm großen kubischen
Mahlkörpern
aus Polyamid gegenüber
solchen von 0,5 mm großen
kugelförmigen
Mahlkörpern
aus Polystyrol ergeben.
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TABELLE
4 – KUMULIERTE
PARTIKELGRÖßENVERTEILUNG
DER ENDGÜLTIGEN
DISPERSIONEN
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BEISPIEL 2 – DAUERHAFTIGKEIT
KUBISCHER MAHLKÖRPER
AUS POLYAMID
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Man
hat herausgefunden, dass kubische Mahlkörper aus Polyamid während eines
intensiven Mahlvorgangs sehr dauerhaft sind. Ein Test zeigte, dass
bei einem kontinuierlichen Mahlen mit Mahlkörpern von 8 verschiedenen blauen
Pigment bei 15:3 Vormischchargen (eine jede 2,5 Gallonen umfassend,
bei einem jeden Mahlvorgang während
einer Zeitdauer von 40 Stunden), welche durch das oben beschriebene
Verfahren während
einer Zeitdauer von 320 Stunden hergestellt worden waren, die mittlere
Partikelgröße der endgültigen Dispersion
noch unter 75 nm verringert werden kann. Eine visuelle Prüfung unter
dem Mikroskop zeigt, dass das kubische Polyamid seine Form nicht
in irgendeiner wesentlichen Art und Weise verliert, was darauf hinweist, dass
die Effizienz der Zerkleinerung über
eine längere
Mahlzeit nicht deutlich abnimmt. Gewöhnlich weist eine Mühle mit
kleinen Mahlkörpern
eine höhere
Zerkleinerungsenergie pro Volumeneinheit der Dispersion innerhalb
der Mühle
auf, im Vergleichen zu einer Mühle
mit Mahlkörpern
von einem größeren Maßstab. Es
gibt daher in einer Mühle
mit Mahlkörper
von einem größeren kommerziellen
Maßstab,
wie etwa bei der 45 Liter großen
Premier Supermill2, die Möglichkeit,
dass ein Mahlkörper
aus Polyamid 3-mal länger
halten wird als in einer 2 Liter großen Premier Supermill2, bevor
derselbe seine Zerkleinerungswirksamkeit verliert.
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BEISPIEL 3 – AUTOMOBILBESCHICHTUNG
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Zwei
Pigmentdispersionen aus Carbon Black wurden hergestellt unter Verwendung
derselben Dispersionszusammensetzungen und derselben Dispersionsverarbeitung,
wobei der einzige Unterschied in dem Typ des Mahlkörpers bestand.
Die Kontrolle und die experimentellen Dispersionen wurden hergestellt
unter Verwendung von Mahlkörpern
aus ER 120S 0,6–0,8
mm Zirkondioxid (von SEPR, Ohio) bzw. aus einem kubischen Mahlkörper aus
Nylon.
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Beide
Dispersionen enthalten die nachfolgenden Ingredienzien (Gewichtsprozent):
| Entionisiertes
Wasser | 67,9 |
| AMP-95 | 1,8 |
| Antischaummittel
(Surfynol 104 DPM, Air Products) | 0,3 |
| AB
Blockcopolymer (wie in dem Patent US
6,204,319 beschrieben) | 20,0 |
| Carbon
Black Pigment (Raven 5000 Ultra II von Columbian Chemicals) | 10,0 |
und sie weisen einen Feststoffgehalt von 15,37%
und ein Verhältnis
von Dispergiermittel zu Pigment von 53,7/100 auf.
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11.800
g einer jeden (3 Gallonen) Vormischung wurden zubereitet unter Verwendung
eines HSD während
einer Zeitdauer von 1 Stunde. Dann wurden diese Vormischungen verarbeitet
mit Hilfe einer 2,0 L LMZ Mühle
von Netzsch, Inc. (Exton, PA). Die Verfahrensparameter waren wie
folgt: 85% Mahlkörper,
2.250 UpM Rotorumdrehungsgeschwindigkeit und Produktfließrate von
525 Gramm pro Minute, 240 Minuten Mahlzeit. Alle 30 Minuten wurde
eine Probe der Dispersion für
die Bewertung der Strahlabdeckungsfähigkeit genommen.
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Die
Strahlabdeckungsfähigkeit
wurde auf der Grundlage der nachfolgenden Beschichtungszusammensetzung
gemessen:
| 2,1%
Lösung
von Laponite RD (von Rockwood Additives) | 28,7
g |
| Acryllatex
(30,0% Feststoff im wässrigen
Medium eines Polymers:
Methylmethacrylat, Allylmethacrylat,
Butylacrylat, Hydroxyethylacrylat, Methacrylsäure | 28,6
g |
| Deionisiertes
Wasser | 15,3
g |
| Polyurethanharz
Sunprene UX-5100 (von Sanyo Chemical Industries) | 5,8
g |
| Ethylenglycolmonobutylether | 5,9
g |
| 2-Hexhylenglycolmonobutylether | 1,1
g |
| Schwerbenzin | 3,1
g |
| Entschäumer (Surfynol
104 Air Products) | 0,7
g |
| "Cymel 301" (Melamin von Cytec
Industries) | 5,0
g |
| Tinuvin
384-2 (von Ciba) | 0,2
g |
| 40,8%
Lösung
von Nacure XP-221 (Aromatische Sulfonsäure von King Industries) | 0,8
g |
| Kolloidale
Dispersion (65,6% Feststoffe im wässrigen Medium eines Polymers:
Methylmethacrylat,
Butylmethacrylat, Hydroxyethylacrylat, Acrylsäure) | 4,8
g |
| Carbon
Black Pigment Dispersion (hergestellt wie oben) | 30,0
g |
| Gesamt | 130,0
g |
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Die
Beschichtungszusammensetzungen wurden auf ein Substrat aufgetragen
und mit einer Klarbeschichtung überschichtet.
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Ein
jedes der Paneele wurde hinsichtlich der Strahlabdeckungsfähigkeit
der Farbe gemessen. Die Strahlabdeckungsfähigkeit ist eine Farbmessung
für schwarze
Filme. Eine vollständige
Beschreibung des Messens der Strahlabdeckungsfähigkeit befindet sich in einer
Veröffentlichung
der Degussa Corporation "Coloristic
Measurements of Jet-Black and Grey Coatings", Technical Bulletin on Pigments, No.
37, 1994, und diese Veröffentlichung
wird durch die Referenznahme mit hiermit eingebunden. Die Strahlabdeckungsfähigkeitsnummer
ist eine Funktion der Werte L, a und b, gemessen unter einem Winkel
von 10 Grad unter Verwendung eines Standardspektrophotometers und
die Nummer der Strahlabdeckungsfähigkeit
wird unter Verwendung der Gleichungen aus der obigen Beschreibung
berechnet. Die Strahlabdeckungsfähigkeitsnummer
steigt mit abnehmenden Werten von L, a und b an. Daher besitzt eine
wünschenswerte
schwarze Grundbeschichtung mit einer dunkleren blaueren Farbe und
weniger Rot eine höhere
Strahlabdeckungsfähigkeitsnummer.
Die Strahlabdeckungsfähigkeitsnummer
für eine
jede der Proben wird unten gezeigt.
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Die
obigen Ergebnisse zeigen, dass Automobilbeschichtungen, die eine
Dispersion enthalten, welche mit Mahlkörpern aus Nylon hergestellt
worden ist, etwa 25 Strahlabdeckereinheiten im Vergleich zu dem
Gegenstück
mit Mahlkörpern
aus Zirkondioxid ausmachen.
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Die
Daten der Strahlabdeckungsfähigkeit
wurden durch Messungen der Partikelgröße bestätigt. Die endgültigen Dispersionen
(bei 240 Minuten Zerkleinerungszeit) wurden analysiert hinsichtlich
der mittleren Partikelgröße und der
Verteilung der Partikelgröße unter
Verwendung eines Microtrac UPA-150 Gerätes mit einem Verdünnungsfaktor
von weniger als 1. Die Daten unten zeigen, dass die mittleren Pigmentpartikel
kleiner sind für
die Dispersion, welche mit kubischem Nylon hergestellt worden ist
im Vergleich zu einer Dispersion mit Mahlkörpern aus Zirkondioxid. Auch
ist im Vergleich zu Mahlkörpern
aus Zirkondioxid die Verteilung der Partikelgröße bei solchen aus kubischem
Nylon in die Richtung auf die kleineren Partikel verschoben worden.
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