DE69608819T2

DE69608819T2 - Verfahren zur herstellung von geschmolzenen agglomerierten partikeln

Info

Publication number: DE69608819T2
Application number: DE69608819T
Authority: DE
Inventors: T. Boden; A. Hendrickson; I. Maiden
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-10-26
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2016-09-13
Also published as: WO1997015384A1; DE69608819D1; EP0880404A1; US5620643A; EP0880404B1; JPH11513616A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft für die Anwendung auf metallischen Oberflächen nützliche, isolierende Harzpulver und ein Verfahren zur Erzeugung pulverförmiger, agglomerierter Teilchen mit verbesserten Beschichtungseigenschaften und verminderter Staubentwicklung während der Pulveranwendung.
Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung freifließender Pulver bekannt, einschließlich der Suspensionspolymerisation, der Sprühtrocknung, des Plasamaspritzens und von Fließbettverfahren. Arten der Pulverherstellung, für welche diese Verfahren im besonderen geeignet sind, sind die Herstellung von Toner-Pulvern für Anwendungen zur Bildwiedergabe bei Kopiergeräten und Druckern in Verbindung mit Computerausrüstung und die Erzeugung von Pulvern zur Beschichtung metallischer Oberflächen. Toner-Teilchen stellen vorzugsweise kugelförmige Teilchen mit glatter Oberfläche dar, während Teilchen zur Metallbeschichtung vorzugsweise leicht glatt, aber nicht vollständig kugelförmig sind.
Die folgenden Verfahren zur Erzeugung von Pulvern gehören zu den nach dem Stand der Technik offenbarten Verfahren. Das U. S. Patent 4,345,015 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung kugelförmiger Harzteilchen aus thermoplastischen Harzteilchen mit unregelmäßiger Oberfläche. In den Harzteilchen liegt entweder im Innern oder in der Oberflächenschicht leitfähiger Ruß vor. Eine Dispersion in einer Trägerflüssigkeit enthält Harzteilchen und Kieselsäureteilchen um die Harzteilchen voneinander getrennt zu halten. Wird die Flüssigkeit erhitzt, erweichen die Harzteilchen und nehmen eine kugelförmige Gestalt an. Anschließendes Abkühlen, Abtrennen und Trocknen des Pulvers liefert als Endprodukt einen Toner mit kugelförmiger Gestalt.
Das Deutsche Patent DE 35 33 625 offenbart ein Verfahren zur Beschichtung von Glaskügelchen und Hohlglaskügelchen mit einem Pulver aus synthetischem Harz. Im wesentlichen wird dabei während des Erhitzens einer innigen Mischung aus Glaspartikeln und Harz eine Schicht aus einem thermoplastischen oder warmhärtenden synthetischen Harz auf der Oberfläche der Glasteilchen abgeschieden. Die beschichteten Teilchen stellen zur Weiterverarbeitung geeignete, verformbare Strukturen dar.
Das Schweizer Patent CH 631635 offenbart die Erzeugung sphäroidischer Granulate durch Sprühtrocknung einer Zusammensetzung aus feinteiligem Material in einem binderhaltigen Lösemittel, deren Größe durch Plasmabehandlung unter Erzeugung freifließender Pulver der gewünschten Teilchengröße modifiziert wird. Zu den offenbarten Anwendungsmöglichkeiten dieser Pulver gehören Beschichtungsmittel für metallische Oberflächen.
Das Kanadische Patent CA 2005978 offenbart die Anlagerung einer Oberflächenschicht aus einem warmhärtenden Harz, vorzugsweise einem Epoxidharzgemisch, an einen anorganischen oder mineralischen Füllstoff, wie z. B. Quarz, Glimmer, Kaolin ete. Das Beschichtungsverfahren verwendet einen Fließbettmischer, der mit einer Kombination aus Füllstoff und wärmehärtbarem Pulvern beschickt wird. Wird der Mischer auf eine geeignete Temperatur erhitzt, schmilzt das Harz und schlägt sich als Beschichtung auf der Oberfläche der Füllstoffteilchen nieder.
Das Japanische Patent 63-319037 offenbart die Modifizierung der Oberfläche von Pulvern mittels eines heißen Luftstroms, wobei mit feinen Teilchen beschichtete Verbundkörner Körner mit einer Oberflächenschicht, welche beim Schmelzen der feinen Teilchen entsteht, bilden. Eine ähnliche Heißluftbehandlung von Pulvern, wie sie im Japanischen Patent JP 5011497 offenbart ist, liefert Toner-Pulver mit geringerem Feinstaubanteil bei gleichzeitiger Verbesserung der Stabilität der Oberflächenladung und der Qualität der Abbildung. In diesem Fall wird ein in einem flüssigen Medium erzeugter Niederschlag vor der Hitzebehandlung als trockenes Pulver isoliert. Ein etwa eine Sekunde einwirkender etwa 300ºC heißer Luftstrom, liefert genügend Wärme, um ein Toner-Pulver mit den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen.
Diese Offenbarungen nach dem Stand der Technik erfordern beträchtliche Wärmemengen um das Pulver wirksam zu behandeln. In den meisten Fällen wird die Produktionsanlage zusammen mit den pulverförmigen Produkten aufgeheizt. Wenn es Verfahren gäbe, das Pulver zu erhitzen ohne die Produktionsmittel nennenswert aufzuheizen, würden eine Kostenersparnis und ein höherer Wirkungsgrad resultieren. Die vorliegende Erfindung stellt ein solches Verfahren für die Hitzebehandlung von Pulvern zur Erzeugung glatter, agglomerierter Teilchen mit abgerundeter Oberflächenstruktur zur Verfügung.
Die vorliegende Erfindung stellt agglomerierte Teilchen mit kontrollierter Größenverteilung bereit.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung agglomerierter Teilchen umfaßt folgende Schritte:
a) Einbringen eines schmelzbaren Pulvers in einen rohrförmigen Reaktor,
b) Aussetzen des Pulvers einer pulsierenden Energie einer hochintensiven Lichtquelle unter Erzeugung agglomerierter Teilchen,
c) Kühlen der agglomerierten Teilchen und
d) Sammeln der agglomerierten Teilchen als freifließendes Pulver.
Ein brauchbares pulverförmiges Material ist ein solches, das unter den in der Produktionsanlage herrschenden Bedingungen oberflächlich erweicht und dadurch zur Agglomeration der Teilchen führt. Zu den Beispielen geeigneter Materialien gehören gefüllte und ungefüllte thermoplastische oder warmhärtende Harzzusammensetzungen, wie Epoxidharzzusammensetzungen, Polyester, Polyamide, Polyurethane und Polyolefine.
Unbehandelte Pulver weisen bei ihrer Verwendung als Beschichtungsmittel für metallische Oberflächen einen Teilchengrößenbereich von etwa 2 um bis 200 um auf. Ein typisches unbehandeltes Pulver weist in diesem Teilchengrößenbereich einen beträchtlichen Anteil an unerwünschten, mikrofeinen Staubteilchen auf. Die Beseitigung dieser staubbildenden Teilchen durch die Erzeugung von Agglomeraten verbessert sowohl die Oberflächenbeschaffenheit des Pulvers als auch das Erscheinungsbild von Beschichtungen, hergerstellt mit verarbeiteten, erfindungsgemäßen Zusammensetzungen.
Die zur erfolgreichen Anwendung der vorliegenden Erfindung erforderliche Ausrüstung umfaßt einen Schwingförderer für das Pulver, einen rohrförmigen Reaktor, eine hochintensive, pulsierende Lichtquelle und einen Pulversammler zur Aufnahme des erzeugten Materials.
Insbesondere umfaßt das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren als Schritte die Einbringung eines vorher granulierten, thermoplastischen oder warmhärtenden Harzes in den Schütttrichter bzw. Einfüllbereich eines rohrförmigen Quarz-Reaktors. Das Pulver rieselt dann unter dem Einfluß der Schwerkraft durch den vertikalen Einlaß des rohrförmigen Reaktors nach unten. Beim Eintritt in die Öffnung des rohrförmigen Reaktors kommt das Pulver in Kontakt mit der Energie der hochintensiven Lichtimpulse, wodurch die Temperatur des Pulvers ansteigt, einschließlich der großen Teilchen und kleiner staubförmiger Teilchen. Durch die Energieaufnahme der Teilchen wird ihre Oberfläche klebrig und sie beginnen unter Erzeugung von Agglomeraten an einander zu haften. Kleinere Teilchen lagern sich untereinander unter Verengung der Teilchengrößenverteilung und Reduzierung der Konzentration von staubbildenden, mikrofeinen Teilchen zu größeren Teilchen zusammen.
Die in den rohrförmigen Reaktor übertragene pulsierende Energie kann von einer einzigen hochenergetischen Lichtquelle oder von mehreren Lichtquellen stammen. In bevorzugten Ausführungsformen, lenken die Lichtquelle unmgebende Reflektoren soviel Energie als möglich in den rohrförmigen Reaktor. Die Einstellung der Lichtintensität und der Impulsfrequenz sowie der Durchsatz durch den Reaktor beeinflussen die Größe, Gestalt und Temperatur der erzeugten Agglomerate. Wenn die Agglomerate aus dem Bereich des pulsierenden Lichtes des rohrförmigen Reaktors austreten, müssen sie gekühlt werden um die Oberfläche der Teilchen zu härten und dadurch Klumpenbildung einzuschränken. Das behandelte Material wird dann als freifließendes Pulver gesammelt.
Die Teilchenagglomeration führt nicht nur zu freifließenden Pulvern, sondern liefert auch Teilchen mit modifizierter Oberfläche, wenn unterschiedlich zusammengesetzte Pulver miteinander einen rohrförmigen Reaktor passieren, der wie beschrieben, mit Blitzlichtlampen ausgerüstet ist. Stoßen unterschiedliche Teilchen eines Pulvergemisches während der Lichtbehandlung zusammen, können Agglomerate aus den beiden Zusammensetzungen entstehen. Liegt bei zusammengesetzten Pulvern eine Komponente in beträchtlichen Überschuß vor, wird diese Zusammensetzung in der Oberfläche der pulverförmigen Agglomerate überwiegen und dadurch beschichtete Teilchen liefern, bei denen die innere Zusammensetzung des Pulvers eine geringere Konzentration aufweist.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Verfahrens von der Aufgabe des gemahlenen Pulvers bis zur Sammlung des agglomerierten Pulvers.
Fig. 2 ist eine Detailzeichnung über die Anwendung einer einzigen Lichtquelle zur Erzeugung von pulsierender Energie im ersten Teil des rohrförmigen Reaktors.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den Einlaß des ersten Teils des rohrförmigen Reaktors;
Fig. 4 ist eine Detailzeichnung der Kühlvorrichtung für die Lichtquelle und für den ersten Teil des rohrförmigen Reaktors;
Fig. 5 ist eine Detailzeichnung der Mehrfachlichtquellen zur Versorgung des ersten Abschnitts des rohrförmigen Reaktors mit pulsierender Energie.
Pulver und Verfahren der vorliegenden Erfindung schaffen eine leichtere Pulveranwendung und liefern einen besseren Oberflächenzustand und sind insbesondere zur Herstellung von Pulvern für die Metallbeschichtung geeignet, wie für Eisenteile von Elektromotoren. Ein wertvoller Vorteil der Pulver und Verfahren der vorliegenden Erfindung ist die beachtliche Herabsetzung der Konzentration an mikrofeinem, teilchenförmigem Material. Derartiges feinteiliges Material verursacht Verunreingiungen durch Staub auf den beschichteten Oberflächen metallischer Teile
Zusammensetzungen nach der vorliegenden Erfindung werden zunächst unter Verwendung eines üblichen Mischers, wie z. B. eines "Littleford"-Mischers, in eine Vormischung übergeführt, um eine gleichmäßige Verteilung des Materials sicher zu stellen. Diese Vormischung wird mittels eines synchron arbeitenden Doppelschneckenextruders oder eines beheizten Doppelwalzenstuhles unter Mischen aufgeschmolzen. Ein bevorzugtes Verfahren zum Mischchmelzen verwendet einen bei einer Temperatur von etwa 65ºC bis etwa 120ºC arbeitenden, synchron laufenden Doppelschneckenextruder. Zu den geeigneten, im Handel erhältlichen Maschinen, gehört z. B. ein APV 30 mm Extruder mit einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von etwa 15 : 1 bis etwa 30 : 1, wie er von der APV Chemical Machinery Inc., Saginaw, Michigan, erhältlich ist. Extruder dieses Typs weisen eine Meßstrecke, eine Aufgabestrecke und eine Durchgangsstrecke auf und arbeiten mit Schneckenmischelementen mit Winkeln von 30º bis 90º. Um die Schmelze durch den Extruder zu fördern werden verschiedene Kombinationen von Mischelementen verwendet.
Der Extruder sollte zusätzlich eine Durchgangsstrecke aufweisen, die mindestens mit einem Umkehrschneckenelement ausgerüstet ist, d. h. einem 30º-Umkehrelement mit einem Umkehrverhältnis von 1-4. Dieses Element sollte sich nahe am Extruderausgang befinden, um die Verweilzeit im Extruder kontrollieren zu helfen. Der Extruder arbeitet typischer Weise bei Umdrehungsgeschwindigkeiten von etwa 125 Upm bis etwa 350 Upm oder nach Bedarf, um eine geeignete elektrische Ladung auf dem Antriebsmotor des Extruders aufrecht zu erhalten und das Beschichtungsmaterial wirksam zu mischen.
Ein Amperemeter zeigt den am Extrudermotor anliegenden Strom an. Die Anzeige erleichtert die Kontrolle der Anlagenfunktionen, wie der Umdrehungsgeschwindigkeit und des Materialdurchsatzes. Um die gewünschten Temperaturen aufrecht zu erhalten, kann eine Zusatzheizung verwendet werden. Optimale Ergebnisse beim Harzmischen resultieren aus der sorgfältigen Auswahl der Schneckenkonfiguration des Extruders, der Umdrehungsgeschwindigkeit, der Zylindertemperaturen und der Verweilzeit des Materials, Einflußgrößen, welche von einem erfahrenen Werker eingestellt werden können.
Der den Extruder verlassende Werkstoff ist ein Bahnenmaterial, das gekühlt und in einer Hammermühle spezifikationsgerecht gemahlen wird. Um das Fließverhalten des Pulvers zu verbessern, werden Verarbeitungshilfsmittel, wie hochdisperse Kieselsäure oder Aluminiumoxid eingearbeitet, wozu wiederum ein "Littleford"-Mischer verwendet wird. Danach wird das gemahlene Pulver unter Verwendung des rohrförmigen Quarz-Pulverreaktors (10) von Fig. 1 verarbeitet.
Bei der Diskussion der Zeichnung beziehen sich gleiche Zahlen auf die gleichen Anlagenteile des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß Fig. 1 fällt das gemahlene Pulver (11) aus dem Kompoundiervorgang unter dem Einfluß der Schwerkraft von der Düse (12) des Schwingförderers (14) in eine ersten Abschnitt (16) des rohrförmigen Pulverreaktors (10). Quarzrohre sind zwar bevorzugt, es können jedoch auch andere Rohre verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie gegenüber der pulsierenden Energie transparent genug sind, um die den ersten Abschnitt (16) passierenden Pulver zu behandeln, d. h. das für die Herstellung des rohrförmigen Reaktors verwendete Material sollte die Energie ohne nennenswerte Verluste durchlassen.
Das erste Teilstück ist vorzugsweise vertikal angeordnet; werden jedoch zusätzlich Hilfsmittel zur Pulverförderung eingesetzt, kann dieses Teil so ausgelegt werden, dass es zwischen waagrechter und senkrechter Stellung arbeitet. Das in den Reaktor (10) eintretende, gemahlene Pulver (11) besitzt typischerweise eine Teilchengrößenverteilung von etwa 2 um bis etwa 200 um. Beim Durchgang durch den ersten Abschnitt (16) nimmt das Pulver Energie auf, die durch die Wände der Quarzröhre übertragen wird. Die Energie wird von einer hochintensiven Lichtquelle (18) emittiert, welche von einem transparenten Wasserkühler (20) umgeben ist und welche außerhalb des Reaktors (10) so angeordnet ist, dass ihre Längsachse parallel zum ersten Teil (16) des Reaktors (10) verläuft.
Unterschiedliche Anordnungen der Lichtquellen (18) außerhalb des Reaktors liefern die gewünschte Energiekonzentration innerhalb des ersten Teils (16) des Reaktors (10). In der Praxis sind bei der vorliegenden Erfindung eine hohe Energiedichte und eine hohe Spitzenstromdichte erforderlich. Dies kann durch Verwendung einer pulsierenden Lichtquelle bewirkt werden, wie z. B. einer Xenon-Blitzlichtlampe, welche die erforderliche Energie und Stromdichte liefert.
Alternativ kann auch die Leistung einer, ein kontinuierliches Spektrum aussendenden Lichtquelle, bis zu einem genau festgelegten Volumen gebündelt werden, so dass die erforderliche Energiedichte resultiert und dass dieses genau definierte Volumen bei einer kurzen Verweilzeit des gemahlenen Pulvers die erforderliche Spitzenstromdichte liefert. Nach Durchgang durch den ersten Teil (16) des Reaktors (10) tritt das Pulver in eine Kühlstrecke (24), ehe es den Reaktor (10) als agglomeriertes Pulver (26) verläßt.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit einer einzige Lichtquelle (18) in Verbindung mit einem zylindrischen Reflektor (30), der das reflektierte Licht von seiner Oberfläche durch den Kühlmantel (20) in Richtung auf das Zentrum des ersten Abschnitts (16) konzentriert. Die hochintensive Lichtquelle ist vorzugsweise eine Xenon-Blitzlichtlampe. Zu den brauchbaren Lampen gehört eine von der ILC Technology Inc. mit der Teilenummer ILCT-18 erhältliche. Diese spezielle Blitzlichtlampe besteht aus einem 30,5 em langem Quarzrohr mit einem inneren Durchmesser von 4,0 mm mit einer unter einem Druck von 200 mm Hg stehenden Xenon- Füllung. Der Betrieb der Lampe erfordert Starkstrom zwischen etwa 1,0 A bis etwa 2,0 A bei einer Kondensatorspannung zwischen etwa 5 kV und etwa 15 kV bei Verwendung eines 2,2 uF Kondensators.
Fig. 3 zeigt eine zentrische Anordnung des ersten Teils (16) des Reaktors (10), bezogen auf den Reflektor (30). Die Stellung der Lichtquelle (18) und des damit verbundenen Kühlmantels (20) gewährleisten, dass die durchgehende und reflektierte Energie in Richtung auf die Mittelachse des ersten Teils (16) des Reaktors gebündelt wird.
Fig. 4 stellt eine alternative Anordnung zur Kühlung der Lichtquelle (18) und zur Reflektierung der Energie in Richtung auf die mittlere Achse des ersten Teils (16) des Reaktors zur Verfügung. In diesem Fall umschließt der transparente Wassermantel (40) den ersten Teil (16) und die einzige Lichtquelle (18), dermaßen, dass Wasser, das zwischen dem Zulauf des Kühlmantels (42) und dessen Ablauf (44) zirkuliert und sowohl die Lichtquelle als auch Röhre (16) kühlt. Die Wasserkühlung beider Komponenten verlängert die nutzbare Betriebsdauer des Reaktors. Eine Verspiegelung der äußeren Oberfläche des transparenten Kühlmantels (40) kann die Energie der Lichtquelle (18) in Richtung auf die mittlere Achse der Röhre (16) in ähnlicher Weise konzentrieren, wie vorher auf den Reflektor (30).
Fig. 5 zeigt einen transparenten Wasserkühler (46) der auf die Unterbringung einer Gruppe von Blitzlichtlampen ausgelegt ist, von denen jede der vorher beschriebenen Lichtquelle (18) entspricht und die gleichmäßig rund um den ersten Teil (16) des Reaktors (10) angeordnet sind. Der Kühlmantel kann auch hier mit einer Verspiegelung versehen sein, welche Licht in Richtung auf den ersten Teil (16) des Reaktors reflektiert. Diese Anordnung erlaubt eine Konzentrierung von direktem und reflektiertem Licht auf die Röhre. Bei dieser Ausführungsform ist das in den Reaktor eintretenden Licht einheitlicher verteilt, weil die Energie von mehreren, die Quarzröhre kreisrund umgebenden Lampen, emittiert wird. Die gemahlenen Pulverteilchen werden daher der Energie der Lichtquelle gleichmäßiger ausgesetzt. Die Gleichmäßigkeit der Aussetzung trägt zur Konstanz der Eigenschaften der agglomerierten Pulverteilchen bei, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Die kontinuierliche Aussetzung des Inhalts des rohrförmigen Reaktors (10) hängt davon ab, dass das Pulver den ersten Abschnitt (16) passiert, ohne sich an der inneren Wand der Röhre anzusetzen.
Die Einhaltung dieser Bedingung wird dadurch vereinfacht, dass ein Luftmesser (22) die innere Oberfläche des ersten Abschnitts des Reaktors säubert und dadurch die Ablagerung von Teilchen verhindert. Das Luftmesser unterstützt zugleich die Bewegung des Pulvers durch den rohrförmigen Reaktor (10). Beim Betrieb des Luftmessers tritt die Energie der hohintensiven Blitzlichtlampe ohne Intensitätsverlust in den Reaktor ein.
Die von der Blitzlichtlampe erzeugte Energie stellt einen Strom von Impulsen dar. Die Impulsdauer liegt im Bereich von etwa 1 Nanosekunde bis etwa 100 Millisekunden. Die von der pulsierenden Lichtquelle emittierte Energie wird von der Oberfläche der gemahlenen Partikel absorbiert, wodurch das einzelne Teilchen partiell erwärmt wird. Sehr feine Teilchen können vollständig geschmolzen werden. Wenn kurze Impulse, d. h. solche mit weniger als 1 Millisekunde auf Teilchen mit kleinem Durchmesser einwirken, d. h. solche mit weniger als 20 um, ist es wahrscheinlich, dass das ganze Teilchenvolumen über den Schmelzpunkt der Zusammensetzung erhitzt wird. Bei größeren Teilchendurchmessern, d. h. bei solchen größer etwa 20 um oder bei kürzeren Impulsen, d. h. weniger als 1 Millisekunde, schmilzt nur die Oberfläche der Teilchen. Sind die Oberflächen geschmolzen, beginnen Zusammenstöße zwischen den Teilchen in der Röhre die Erzeugung von agglomerierten Teilchen auszulösen. Kleine Teilchen neigen dazu sich an größere Teilchen anzulagern. Dies führt dazu, dass die kleineren Teilchen mengenmäßig vergleichsweise abnehmen und die durchschnittliche Teilchengröße des agglomerierten Pulvers zunimmt. Die Bildung agglomerierter Teilchen hält so lange an, als die Oberflächentemperatur hoch genug ist, um die Teilchen beim Zusammenstoß aneinander haften zu lassen.
Die Länge des ersten Teils des Reaktors beeinflußt die Erzeugung von Agglomeraten. Rohrlängen von etwa 15 cm bis etwa 30 cm für den ersten Teil des Reaktors liefern agglomerierte Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 9 um bis etwa 300 um, welche für Beschichtungsanwendungen bei motorischen Eisenteilen geeignet sind.
Die durch Absorption von pulsierender Energie hergestellten, agglomerierten Teilchen kühlen beim Eintritt und beim Durchgang durch den zweiten Teil (24) des Reaktors ab. Dieser zweite Teil kann als horizontales, röhrenförmiges Verbindungsstück zwischen dem ersten und dem dritten Teil des Reaktors ausgebildet sein.
Pulver aus dem zweiten Teil durchströmt den dritten Teil, der in einem Pulveraufnehmer endet, bestehend aus einer Sackfüllvorrichtung und einem Zyklon. Der Transport des Pulvers durch den rohrförmigen Reaktor (10) kann im ersten Abschnitt (16) der Luftunterstützung bedürfen und der Vakuumunterstützung auf der Seite des Pulveraufnehmers. Die Bauart der Ausrüstung für den Transport des Pulvers vom ersten Teil bis zum Pulveraufnehmer kann von der in Fig. 1 gezeigten abweichen. Da die Erzeugung und Kühlung der agglomerierten Teilchen in der Hauptsache im ersten Teil (16) erfolgt, können alle geeigneten Hilfsmittel für die Aufnahme des behandelten, freifließenden Pulvers (26) eingesetzt werden.
Die Größenverteilung ändert sich im ersten Teil (16) des Pulverreaktors (10). Bei der Umwandlung in ein freifließendes Pulver aus agglomerierten Teilchen nimmt die durchschnittliche Teilchengröße in gleicher Weise zu, wie die Größe des kleinsten feststellbaren Teilchens.
Da das Verfahren infolge des Anlagerungsmechanismus feiner Teilchen zu größeren Teilchen grundsätzlich größere Teilchen erzeugt, können nach der vorliegenden Erfindung hergestellte Agglomerate größere Kernteilchen mit einer Oberflächenschicht oder Hülle aus mikrofeinen Teilchen enthalten. Die sorgfältige Auswahl von Pulvergemischen aus Teilchen unterschiedlicher Zusammensetzung und Teilchengröße erlaubt die Erzeugung von Teilchen mit unterschiedlicher Zusammensetzung von Kern und Oberflächenschicht. Dies kann durch den Einsatz unterschiedlich gefärbter Teilchen gezeigt werden. So zeigte zum Beispiel ein Gemisch aus gelbem und blauem Pulver zunächst eine einheitlich blaugrüne Farbe. Nach einmaligem Durchlaufen des Agglomerationsverfahrens änderte sich das Aussehen, unter offensichtlicher Trennung von mit blosem Auge sichtbarer, gelber Teilchen. Bei wiederholten Durchgängen durch den Reaktor entwickelte das Pulver eine eher einheitliche, grünlich-blaue Farbe. Dies läßt vermuten, dass sich feinere gelbe Teilchen an größere Teilchen anlagern, begleitet von einer Farbänderung, wenn das innere Teilchen blau ist.
Die folgenden, die vorliegende Erfindung nicht beschränkenden Beispiele, liefern Verfahrensbedingungen und physikalische Eigenschaften der behandelten Pulver.

Pulverzusammensetzungen

Die nachstehenden Pulverformulierungen sind für die vorliegende Erfindung typisch.

Zusammensetzung 1

DER 667 (Dow Chemical Co,) 28,04 Gew.-Tl.
Epon 2004 (Shell Inc.) 22,84 Gew.-Tl.
Butylterephthalatdianhydrid 14,21 Gew.-Tl.
Wollastonit 34,41 Gew.-Tl.
2-Methylimidazol 0,50 Gew.-Tl.

Zusammensetzung 2

3 M Aliphatisches Epoxidharz mit Äquivalentgewicht 1000 76,30 Gew.-Tl.
Phenolischer Epoxidhärter 3 M 15,29 Gew.-Tl.
PlOl (Shell Ine.) 3,97 Gew.-Tl.
Titandioxid Titanox 2020 (Kronos, Inc.) 2,44 Gew.-Tl.
Chromoxid (Sun Chemical) 1,22 Gew.-Tl.
Modaflow III (Monsanto) 0,76 Gew.-Tl

Zusammensetzung 3

Epoxidharz (Äquivalentgewicht 800, 3 M) 54,53 Gew.-Tl.
Mineralite (Malvem Minerals) 39,85 Gew.-Tl.
Chromoxid (Sun Chemical) 0,85 Gew.-Tl.
Isophthalamiddihydrazid (IPDH) 3,52 Gew.-TL
Dicyandiamid (DICY) 0,84 Gew.-Tl.
DMP-30 (Anchor Chemicals) 0,40 Gew.-Tl.

Zusammensetzung 4

Crylcoat® 320 (IJCB Chemicals) 78,15 Gew.-Tl.
PT-812 (Ciba Geigy) 15,62 Gewe.-T1.
Butylterephthalatdianhydrid 3,21 Gew.-Tl.
Modiflow III (Monsanto) 2,08 Gew.-Tl.
Zinnoctoat 0,37 Gew.-Tl.
Cromethal Yellow (Ciba Geigy) 0,37 Gew.-Tl.
FC-430 (3 M) 0,71 Gew.-Tl.

Zusammensetzung 5

ECN 1280 (Ciba Geigy Corp.) 24,00 Gew.-Tl.
3 M Epoxidharz (Äquivalentgewicht 800) 24,00 Gew.-Tl.
Chromoxid (Sun Chemical) 16,80 Gew.-Tl.
Modiflow III (Monsanto) 0,34 Gew.-Tl.
N,N-Dimethylanilin 0,05 Gew.-Tl.
Diaminodimehtylsulfon 8,78 Gew.-Tl.
Mineralite Glimmer (Malvern Minerals) 19,25 Gew.-Tl.
Titandioxid Titanox® 2020 (Kronos, Inc.) 5,65 Gew.-Tl.
Zinnoctoat 0,58 Gew.-Tl.
Tetrahydrophthalsäureanhydrid (THPA) 0,58 Gew.-Tl.

Zusammensetzung 6

DER 667 (Dow Chemical Co,) 10,66 Gew.-Tl.
Epon 2004 (Shell Inc.) 31,97 Gew.-Tl.
Butylterephthalsäuredianhydrid 11,67 Gew.-Tl.
Wollastonit 38,75 Gew.-Tl.
2-Methylimidazol 0,06 Gew.-Tl.
Titanox 2020 (Kronos, Inc.) 65,32 Gew.-Tl.
Pigment Blue 15 (Sun Chemical) 3,97 Gew.-Tl.

Zusammensetzung 7

DER 667 (Dew Chemical Co.) 10,66 Gew.-Tl.
Epon 2004 (Shell Inc.) 31,97 Gew.-Tl.
Butylterephthalsäuredianhydrid 11,67 Gew.-Tl.
Wollastonit 38,75 Gew.-Tl.
2-Methylimiclazol 0,06 Gew.-Tl.
Titanox 2020 (Kronos, Inc.) 65,32 Gew.-Tl.
Chromophtal Yellow (Ciba Geigy Corp.) 3,97 Gew.-Tl.

Das Vormischverfahren

Zusammensetzungen nach der vorliegenden Erfindung werden zuerst in eine Vormischung übergeführt um gleichmäßig dispergierte Zusammensetzungen zu schaffen. Die Vormischung wird unter Verwendung eines Doppelschneckenextruders oder eines beheizten Zweiwalzenstuhl unter Mischen geschmolzen. Ein bevorzugtes Verfahren zum Mischschmelzen verwendet einen bei einer Temperatur von etwa 65ºC bis etwa 120ºC arbeitenden, synchron laufenden Doppelschneckenextruder. Zu den geeigneten, handelsüblichen Maschinen gehört z. B. ein APV 30 mm Extruder mit einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von etwa 15 : 1 bis etwa 30 : 1, wie er von der APV Chemical Machinery Inc., Saginaw, Michigan, erhältlich ist. Extruder dieses Typs weisen eine Meßstrecke, eine Aufgabestrecke und eine Durchgangsstrecke auf und arbeiten mit Schneckenmischelementen mit Winkeln von 30º bis 90º. Um die Schmelze durch den Extruder zu befördern, werden verschiedene Kombinationen von Mischelementen verwendet.
Der Extruder sollte zusätzlich eine Durchgangsstrecke aufweisen, die mindestens mit einem Umkehrschneckenelement ausgerüstet ist, d. h. einem 30º-Umkehrelement mit einem Umkehrverhältnis von 1-4. Dieses Element sollte sich nahe am Extruderausgang befinden, um die Verweilzeit im Extruder kontrollieren zu helfen. Der Extruder arbeitet typischer Weise bei Umdrehungsgeschwindigkeiten von etwa 125 Upm bis etwa 350 Upm oder nach Bedarf, um eine geeignete elektrische Ladung auf dem Antriebsmotor des Extruders aufrecht zu erhalten und das Beschichtungsmaterial wirksam zu mischen.
Ein Amperemeter zeigt den am Extrudermotor anliegenden Strom an. Die Anzeige erleichtert die Kontrolle der Anlagenfunktionen, wie der Umdrehungsgeschwindigkeit und des Materialdurchsatzes. Um die gewünschten Temperaturen aufrecht zu erhalten kann eine Zusatzheizung angewendet werden. Das optimale Mischen des Harzes ergibt sich aus der sorgfältigen Auswahl der Schneckenkonfiguration des Extruders, der Umdrehungsgeschwindigkeit, der Zylindertemperatur und der Verweilzeit des Materials, Einflußgrößen, die von einem erfahrenen Werker eingestellt werden können.
Der den Extruder verlassende Werkstoff ist ein Bahnenmaterial, der gekühlt und in einer Hammermühle spezifikationsgerecht gemahlen wird. Um das Fließverhalten des Pulvers zu verbessern, werden Verarbeitungshilfsmittel, wie hochdisperse Kieselsäure oder Aluminiumoxid eingearbeitet, wozu wiederum ein "Littleford"-Mischer verwendet wird. Danach wird das gemahlene Pulver unter Verwendung des rohrförmigen Quarz-Reaktors verarbeitet.

Der Pulverreaktor

Der Pulverreaktor besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem ungefähr 60 em langen Quarzrohr mit einem inneren Durchmesser von etwa 15 cm. Das senkrecht angeordnete Rohr befindet sich innerhalb eines verspiegelten Wasserkühlers und beherbergt eine 30,5 em lange Xenon-Blitzlichtlampe mit einem Innendurchmesser von 4,0 mm, um das Rohr mit einfallendem und reflektierten Licht zu beleuchten. Die Lampe sendet Energieimpulse von wählbarer Dauer aus. Eine Lampe, die zum Beispiel mit einer Stromstärke von etwa 1,0 Amp bis etwa 2,0 Amp bei einer Kondensatorspannung von etwa 5 kV und etwa 15 kV arbeitet und dabei Impulse im Bereich von etwa 10 bis etwa 20 Impulse pro Sekunde emittiert, liefert genügend Energie, um soviel Wärme zu erzeugen, dass die Oberfläche des Harzpulvers schmilzt.
Eine alternative Anordnung besteht darin, dass die Quarzröhre von mehreren Xenon- Blitzlichtlampen kreisförmig umgeben ist, welche sich zwischen der Quarzröhre und der reflektierenden Beschichtung auf der Außenwand des Wasserkühlers befindet, um direkte und reflektierte Energie zu liefern, welche das Rohr erhellen. Tabelle 1 - Betriebsbedingungen des rohrförmigen Pulverreaktors
Hinweis: Ex. 12 = Blau; Ex. 13 = Gelb 1; Ex. 14 = Gelb 2: Ex. 15 = B : G 1; Ex. 16 = B : G 2; Ex. 17 = B : G 3; EX. 18 = B : G 4; Ex. 19 = B : G 4 (Wiederholung)

Beispiel 1

Ein rohrförmiger Reaktor wurde mit einem warmhärtenden Epoxidpulver gemäß Zusammensetzung 1 mit einer Aufgaberate von 10 pounds pro Stunde beschickt. Das Pulver trat in die Agglomerationszone des rohrförmigen Reaktors ein und wurde der Energie einer Xenon-Blitzlichtlampe ausgesetzt, die bei einem Energieniveau von 5 kV und einer Emission von sechs (6) Impulsen pro Sekunde betrieben wurde. Unter diesen Bedingungen wurde unter dem Mikroskop eine leichte Rundung einzelner Teilchen beobachtet.

Beispiel 2

Der rohrförmige Reaktor wurde, wie unter Beispiel 1 beschrieben, betrieben, außer dass die Impulszahl der Lampe auf zehn (10) Impulse pro Sekunde erhöht worden war. Diese Änderung verursachte eine wirksamere Rundung der Teilchen.

Beispiel 3

In einem, dem Beispiel 1 ähnlichem Versuch, wurde die Impulszahl auf fünfzehn (15) Impulse pro Sekunde erhöht. Die Einbringung zusätzlicher Wärme erhöhte die Menge der gerundten, agglomerierten Teilchen weiter.

Beispiel 4

Beispiel 3 wurde wiederholt, indem die Energie der Lampe von 5,0 kV auf 7,5 kV geändert wurde. Die nach dieser Behandlung gesammelten Teilchen waren frei von mikrofeinem Pulver. Die durchschnittliche Teilchengröße hatte zugenommen und die endgültige Gestalt der agglomerierten Teilchen war fast kugelförmig.

Beispiele 5-8

Die Tabellen 2 und 3 zeigen die Teilchengrößenänderungen bei der Behandlung der Zusammensetzungen 2-5 beim Einsatz des erfindungsgemäßen Pulverreaktors. Bei den Beispielen 5 (Zusammensetzung 2) und 6 (Zusammensetzung 3) betrug die Lampeneinstellung 9,5 kV bei 15 Impulsen pro Sekunde. Die Behandlung endete nach einem Durchgang durch die Anlage. Tabelle 2 - Teilchengröße der Pulver vor der Behandlung Tabelle 3 - Teilchengröße der Pulver nach der Behandlung
Nach Änderung der Lampeneinstellung auf 7,5 kV und 10 Impulse pro Sekunde zirkulierten das Beispiel 7, beschrieben als Zusammensetzung 4, und das Beispiel 8, welches der Zusammensetzung 5 entspricht, dreimal durch die Anlage. Eine abschließende Behandlung des Beispiels 8 in Form eines einmaligen Durchgangs erforderte eine Lampeneinstellung auf 8,0 kV und 10 Impulse pro Sekunde.

Beispiele 9-19

Die Beispiele 9-19, welche die Zusammensetzungen 6, 7 oder deren Kombinationen verwenden, beweisen die Modifizierbarkeit der oberflächlichen Zusammensetzung aggiomerierter Teilchen bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dies wird anhand farbiger Pulver gezeigt. Die Beispiele 9-11 haben Pulver zum Gegenstand, die vor der Behandlung blau oder gelb waren bzw. eine Mischung aus gelben und blauen Teilchen im Verhältnis 1 : 1 darstellten. Die sorgfältige Beobachtung der Probe 11 ließ einzelne gelbe und blaue Teilchen erkennen. Tabelle 4 - Teilchengröße der farbigen Pulver vor der Behandlung
Nach einer Blitzlichtbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung wiesen alle diese Pulver die typische Abnahme des relativen Anteils an kleinen Teilchen und gleichlaufend hierzu eine Zunahme der durchschnittlichen Teilchengröße auf.
Bei der 1 : 1-Mischung aus gelben und blauen Teilchen erfolgte beim mehrfachen Durchgang durch den rohrförmigen Reaktor auch eine Änderung der Farbe.
Das Pulver von Beispiel 15 resultierte aus einem einzigen Durchgang des Beispiels 11 durch den rohrförmigen Reaktor. Dieses Beispiel zeigt offensichtlich eine beträchtliche Zunahme an gelben Teilchen. Anschließende zusätzliche Durchgänge, welche durch die Beispiele 16-18 repräsentiert werden, führten zu einer einheitlicheren Farbverteilung. Die anfänglich bläulich-grüne Farbe des Beispiels 11 durchlief eine dem Beispiel 15 entsprechende Farbentmischung, um dann in eine einheitlichere grünlich-blaue Farbe überzugehen. Dies läßt vermuten, dass die Agglomeration der Teilchen beschichtete Teilchen liefert, bei denen die Oberflächenschicht eine andere Zusammensetzung aufweist, als das Innere des Teilchen. Auf diese Weise kann man nach Wunsch Oberflächenschichten oder Mehrfachschichten auf ein ausgewähltes Teilchen aufbringen. Tabelle 5 - Teilchengröße der farbigen Pulver nach der Behandlung
Informationen über die Teilchengröße wurden mit einem Microtrac® Teilchengrößenanalysator gesammelt, wie er von Leeds & Northrop lieferbar ist. Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass die Teilchengröße infolge der Behandlung zunahm. Dies beweist, dass die Agglomeration der Teilchen erreicht wird und damit verbunden die Vorteile der Entfernung der mikrofeinen Pulver und eine Ausbeutesteigerung an brauchbarem Pulver, wodurch wegen der damit verbundenen Abfallverminderung geringere Kosten resultieren.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines freifließenden Pulvers aggiomerierter Teilchen mit kontrollierter Größenverteilung, umfassend die Schritte:

a) Einbringen eines Pulvers in einen vertikal angeordneten, rohrförmigen Reaktor;

b) Aussetzen des Pulvers der pulsierenden Energie einer hochintensiven Lichtquelle unter Erzeugung agglomerierter Teilchen;

c) Kühlen der agglomerierten Teilchen und

d) Sammeln der agglomerierten Teilchen als freifließendes Pulver.

2. Verfahren zur Herstellung eines freifließenden Pulvers agglomerierter Teilchen, wobei jedes agglomerierte Teilchen eine Zusammensetzung der Oberflächenschicht und eine Kernzusammensetzung aufweist und die Oberflächenschicht und der Kern eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen, umfassend die Schritte:

a) Herstellen einer Pulvermischung, umfassend Teilchen einer ersten Zusammensetzung und wenigstens eine zusätzliche Zusammensetzung, wobei sich die erste Zusammensetzung von der zusätzlichen Zusammensetzung unterscheidet;

b) Einbringen des Pulvergemisches in einen rohrförmigen Reaktor;

c) Aussetzen des Pulvergemisches der pulsierenden Energie einer hochintensiven Lichtquelle unter Erzeugung aggiomerierter Teilchen mit einer den Kern umgebenden Oberflächenschicht, wobei die Oberflächenschicht und der Kern eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen;

d) Kühlen der agglomerierten Teilchen;

e) Sammeln der agglomerierten Teilchen als freifließendes Pulver.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin das Pulver gemäß Anspruch 1 oder das Pulvergemisch gemäß Anspruch 2 ausgewählt ist aus der Gruppe der Polyester, Polyamide, Polyurethane, Polyolefine und Epoxidharze.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin der rohrförmige Reaktor eine transparente Quarzröhre ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin die hochintensive Lichtquelle eine Xenon-Blitzlichtlampe ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, worin die erste Zusammensetzung eine erste Farbe hat, die zusätzliche Zusammensetzung eine zweite Farbe besitzt und die agglomerierten Teilchen eine dritte Farbe aufweisen.

7. Verfahren, umfassend Verfahrensschritte gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die aggiomerierten Teilchen in den rohrförmigen Reaktor zurückgeführt werden und jedem der Verfahrensschritte mehrfach unterworfen werden.