Beschreibung
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG FEINSTER PARTIKEL AUS SCHMELZBAREN FESTSTOFFEN
Aus der DE 199 40 314 AI ist es bekannt, zur Herstellung feinstdisperser FarbstoffZubereitungen die in einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, dispergierten Farbstoffe unter Druck und bei erhöhter Temperatur aufzuschmelzen und die so erhaltene Emulsion in einem Homogenisator derart mechanisch zu beanspruchen, dass die in der Flüssigkeit emulgierten Tröpfchen der Farbschmelze zerkleinert werden. Der Homogenisator besteht dabei im Wesentlichen aus einer Lochblende, vor deren Öffnung die durchströmende Emulsion sehr stark beschleunigt wird, was zu Scherkräften und zu einer Zerkleinerung der
Tröpfchen führt. Hinter der Lochblende wird die Emulsion auf einen niedrigeren Druck entspannt, wobei weiterhin eine Emulsion mit den in der Flüssigkeit emulgierten Tröpfchen der Farbschmelze vorliegt. Anschließend wird die behandelte Emul- sion in einem Wärmetauscher auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Farbstoffe abgekühlt, so dass als Ergebnis die gewünschte Dispersion vorliegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Ver- fahren zu vereinfachen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung feinster Partikel aus schmelzbaren Farbstoffen gelöst, bei dem eine Emulsion hergestellt wird, die bei einer über der Schmelztemperatur der Feststoffe liegenden Temperatur und hohem Druck die zu Flüssigkeitströpfchen aufgeschmolzenen Feststoffe in einer Flüssigkeit enthält, bei dem ferner durch mechanische Beanspruchung der Emulsion die Flussigkeitstropfchen zerkleinert werden und bei dem schließlich durch freie Druckentspannung die Flüssigkeit zumindest teilweise verdampft wird und dabei die Flüssigkeitströpfchen unter die Schmelztemperatur der Feststoffe abgekühlt werden.
Durch die freie, schlagartige Druckentspannung auf etwa den Umgebungsdruck wird erreicht, dass die überhitzte Flüssigkeit zumindest teilweise verdampft und dabei die Flüssigkeitströpfchen in etwa auf die Siedetemperatur der Flüssigkeit und damit unter die Schmelztemperatur der Feststoffe abkühlt. Auf diese Weise werden unmittelbar die gewünschten Feststoffpartikel erhalten, ohne dass eine Zwangskühlung, wie z. B. der bei dem bekannten Verfahren vorgesehene Wärmetauscher, erforderlich ist.
Vorzugsweise erfolgt zumindest ein Teil der mechanischen Beanspruchung der Emulsion gleichzeitig mit der Druckentspannung, so dass die Erstarrung der Flüssigkeitströpfchen zu den Feststoffpartikeln unmittelbar nach ihrer Zerkleinerung er- folgt. Dadurch werden auch dann sehr gute Ergebnisse, d. h. sehr feine Feststoffpartikel erzielt, wenn die zerkleinerten Flüssigkeitströpfchen aufgrund der Eigenschaften der eingesetzten Stoffe zum Zusammenwachsen neigen sollten, so dass zumindest in vielen Anwendungsfällen der Einsatz von Emulga- toren oder Dispergierhilfsmitteln bis hin zum Verzicht reduziert werden kann.
Schließlich lassen sich die zu den Feststoffpartikeln erstarrten Flüssigkeitströpfchen besonders einfach von der ver- dampften Flüssigkeit trennen, so dass auch hierzu keine aufwendigen Maßnahmen erforderlich sind. Im einfachsten Fall erfolgt die Trennung gleichzeitig mit der Druckentspannung unter Ausnutzung der dabei frei werdenden kinetischen Energie. Natürlich können die erhaltenen Partikel bei Bedarf auch wieder in der dazu kondensierten Flüssigkeit oder einer anderen Flüssigkeit dispergiert werden.
Soweit die Flüssigkeit bei der freien Druckentspannung nur teilweise verdampft, kann die Verdampfung in vorteilhafter Weise durch Wärmezufuhr unterstützt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht grundsätzlich die Herstellung feinster Partikel unterschiedlichster Feststoffe, soweit diese schmelzbar sind. In besonders vorteilhafter Weise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Poly- mere anwenden. Dies ist insofern überraschend, als aufgrund der extrem unterschiedlichen Schmelzviskositäten, Oberflächenspannungen und Grenzflächenwinkeln nicht zu erwarten war, dass das Zerteilen von emulgierten Schmelztröpfchen für langkettige Polymere mit mittleren Molmassen über 10000 g/mol erfolgreich anzuwenden ist. Gegenstand der Erfindung sind somit auch feinste Partikel eines Feststoffs, insbesondere eines Polymers, erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Diese Partikel zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Gegensatz zu rauen Bruchflächen fester Körper eine nahezu glatte Oberfläche besitzen; insbesondere sind die so hergestellten Partikel ellipsoid bis nahezu kugelförmig. Es konnten Partikeldurchmesser kleiner als 50 μ bis kleiner als 0,2 μm erzielt werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:
Figur 1 schematisch eine zur Durchführung des erfindungs- gemäßen Verfahrens geeignete Anlage und
Figur 2 eine modifizierte Ausführung der in Figur 1 gezeigten Anlage .
In einem Vorlagebehälter 1 werden zu zerkleinernde Feststoffe 2 durch Rühren in einer Flüssigkeit 3 dispergiert. Bei den Feststoffen kann es sich beispielsweise um Polymere oder Mischungen aus Polymeren mit oder ohne Zusätzen, wie Pigmente, Hilfsstoffe usw. handeln. Als Flüssigkeit 3 kommen insbeson- dere solche in Betracht, in denen die zu zerkleinernden Feststoffe nicht oder nur sehr schlecht löslich sind; ansonsten muss die Löslichkeitsgrenze überschritten werden, damit Fest-
stoffe ausfallen. Die Dispersion 4 wird mittels einer Pumpe 5 auf einen sehr hohen Druck gebracht und gleichzeitig oder, wie hier gezeigt, anschließend mittels einer Heizvorrichtung 6, z. B. ein Wärmetauscher, auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Feststoffe erwärmt. Der von der Pumpe 5 erzeugte Druck ist dabei so hoch, dass ein Sieden oder Verdampfen der Flüssigkeit 3 vermieden wird. Dabei können je nach verwendeten Feststoffen 2, insbesondere bei Polymeren, Drücke größer als 1000 bar oder sogar größer als 1900 bar notwendig sein. In einer nachfolgenden Emulgiervorrichtung 7 wird die nun vorliegende Emulsion 8 aus den zu Flüssigkeitströpfchen aufgeschmolzenen Feststoffen 2 in der Flüssigkeit 3 starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, wobei die Flüssigkeitströpfchen zerkleinert werden. Es kommen herkömm- liehe Emulgiervorrichtungen, wie z. B. ein Rotor-Stator- Aggregat, in Frage. Bei der hier gezeigten Emulgiervorrichtung 7 handelt es sich um einen Hochdruckhomogenisator mit einem Homogenisierventil 9, hier in Form einer Lochblende, durch das die unter Druck stehende Emulsion 8 gepresst wird. Dabei werden die Flussigkeitstropfchen durch Turbulenz, Kavitation und Scherkräfte zerrissen. Unmittelbar hinter dem Homogenisierventil 9 wird die Emulsion 8 schlagartig auf Umgebungsdruck entspannt, wobei die Flüssigkeit 3 zumindest teilweise verdampft und dabei die Flüssigkeitströpfchen unter die Schmelztemperatur der Feststoffe 2 abkühlt. Die zu den gewünschten feinsten Partikeln 10 erstarrten Flüssigkeitströpfchen werden durch die kinetische Energie der Druckentspannung in einen Auffangbehälter 11 geschleudert und lagern sich an dessen Innenwand an. Der Flüssigkeitsdampf 12 wird durch den Auffangbehälter 11 entsorgt und gegebenenfalls dem Wärmetauscher 6 zugeführt. Damit die Flüssigkeit 3 möglichst vollständig verdampft, ist unmittelbar hinter dem Homogenisierventil 9 eine Heizeinrichtung 13 vorgesehen.
Die Druckentspannung folgt unmittelbar auf die mechanische Beanspruchung der Emulsion, d. h. mit dieser nahezu gleichzeitig, so dass für ein Zusammenwachsen der zerrissenen
Flüssigkeitströpfchen keine Zeit verbleibt und deshalb der Zusatz von Emulgatoren oder Dispergierhilfsmitteln bis hin zum Verzicht reduziert werden kann. Dem Homogenisierventil 9 können natürlich weitere Mittel zur Homogenisierung vor- geordnet sein.
Das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Anlage unterscheidet sich von dem nach Figur 1 dadurch, dass der hier z. B. mehrstufig aufgebaute Homogenisator 7 und eine Düse 14, hinter der die in dem Homogenisator 7 behandelte Emulsion 8 auf Umgebungsdruck frei entspannt wird, voneinander beabstandet angeordnet sind.