Hintergrund und Aufgabenstellung
In vielen Industriezweigen müssen feine Feststoffe wie Ruß (Carbon Black) in flüssigen Medien dispergiert werden. Ruß dient häufig als schwarzes Pigment, Füllstoff oder sogar als elektrisch leitfähige Komponente, z.B. in Druckfarben, Lacken, Kunststoffen, Klebstoffen oder Batteriemassen. Die Aufgabenstellung bei der Ruß-Dispergierung in Lösemitteln ist es, einen stabilen, gleichmäßig verteilten Partikelbrei herzustellen. Darin sollen die feinen Rußpartikel optimal im Lösemittel verteilt sein, damit die gewünschten Produkteigenschaften – von tiefschwarzer Färbung bis hin zu hoher Verstärkungswirkung oder Leitfähigkeit – voll zur Geltung kommen. In der Praxis muss erreicht werden, dass die von Natur aus stark aggregierten Rußteilchen bis auf ihre Primärpartikel zerfallen und gleichmäßig benetzt werden – und das möglichst ohne unnötig viel Lösemittel einzusetzen.
Die Herausforderung
bei der Ruß-Dispergierung liegt vor allem in der Handhabung und Zerkleinerung dieses speziellen Materials. Ruß wird meist in Form feiner Pulver oder Presslinge angeliefert, die eine extrem niedrige Schüttdichte aufweisen. Beim händischen Einbringen in offene Mischbehälter entsteht leicht eine Staubwolke. Diese hat negative Folgen für die Arbeitsumgebung und birgt Gesundheitsrisiken für das Bedienpersonal. Zudem neigt Ruß dazu, sich zu Agglomeraten zusammenzulagern. Einfache Rührwerke schaffen es kaum, diese festen Klumpen vollständig aufzubrechen. Oft müssen zeit- und energieintensive Mahlverfahren (z.B. Kugelmühlen oder Dreiwalzwerke) nachgeschaltet werden, um die gewünschte Feinheit und Verteilungsqualität zu erreichen. Dabei wird häufig ein hoher Anteil an Lösemittel oder flüssigem Bindemittel zugesetzt, um die Mischung überhaupt pumpfähig und mahlfähig zu machen. Das bedeutet später einen zusätzlichen Schritt zur Lösemittelrückgewinnung oder -entsorgung. Ein weiteres Problem ist die Viskosität. Hochkonzentrierte Rußdispersionen sind sehr dickflüssig, was viele Anlagen an ihre Grenzen bringt. Schließlich führt die hohe mechanische Energie, die zum Dispergieren benötigt wird, zu einer Erwärmung des Produkts. Unkontrollierte Temperaturanstiege können jedoch die Produktqualität beeinträchtigen oder bei Lösemitteln sogar brandgefährlich sein.
Die Lösung
Cavitron begegnet diesen Herausforderungen mit seinen innovativen Rotor-Stator-Dispergiergeräten, die sich besonders für schwer zu dispergierende Feststoffe wie Ruß bewährt haben. Die Lösung besteht darin, das Rußpulver unter kontrollierten Bedingungen in ein Lösemittel oder eine flüssige Phase einzubringen und es sofort der intensiven Scherwirkung des Rotor-Stator-Systems auszusetzen. Durch die hohe Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und den minimalen Spalt zum Stator entstehen Scherkräfte, die die Rußagglomerate effizient zerteilen. Bereits während des Ansaugens des Pulvers in die Maschine werden die Partikel in der Hochscherzone fein dispergiert. Die Cavitron-Technologie arbeitet hierbei mit einer Zwangsförderung. Das bedeutet, dass das Lösemittel-Pulver-Gemisch aktiv durch den Rotor-Stator-Spalt gezogen wird, anstatt sich nur passiv im Behälter zu verteilen. So wird jeder Rußpartikel vollständig verarbeitet. Das System erlaubt außerdem, mit hohen Feststoffkonzentrationen zu arbeiten, ohne dass die Mischung unbeherrschbar wird. Gegebenenfalls kann der Prozess druckdicht und unter Inertgas gefahren werden. So wird sowohl die Sicherheit (beim Umgang mit Lösemitteln) als auch die Produktqualität (Vermeidung von Oxidation oder Lufteinschlüssen) gewährleistet. Insgesamt beschleunigt die Cavitron-Lösung den Dispergierprozess drastisch. Was zuvor stundenlange Mahlvorgänge erfordert hätte, wird nun in einem einzigen kontinuierlichen Arbeitsschritt erreicht. Die resultierende Ruß-Dispersion ist fein, stabil und erfüllt höchste Qualitätsansprüche.
Übersicht Kundenvorteile
1
Auswahl unterschiedlicher Rotor-Stator-Systeme
2
Zusammenfassung verschiedener Verfahrensschritte in einer Maschine
3
Minimierte Produktionszeiten und reduzierte Kosten
4
Vollständiger Aufschluss der Rohstoffe für schnelle und reproduzierbare Ergebnisse
5
Kompakte Bauweise
6
Vermeidung verklebter Behälter und Einbauteile
7
100%ige Verarbeitung durch Zwangsförderung
8
Gute Kontrollierbarkeit von Druck und Temperatur
9
Niedriger Energieaufwand durch kleine Bearbeitungszonen
10
Geschlossener, emissionsfreier Prozessraum
11
Verarbeitung hoher Feststoffanteile bei reduziertem Lösemittel- oder Wasserbedarf
Vorteile im Detail
- Auswahl unterschiedlicher Rotor-Stator-Systeme: Für die vielseitigen Anforderungen bei Ruß-Dispersionen bietet Cavitron verschiedene Ausführungen seines Rotor-Stator-Systems an. Ob für niedrigviskose Lackbasen oder hochviskose Masterbatches – es steht stets das passende Werkzeug mit dem erforderlichen Scherprofil und Durchsatz zur Verfügung, um optimal auf das Produkt und die Chargengröße einzugehen.
- Zusammenfassung verschiedener Verfahrensschritte in einer Maschine (Rationalisierung): Anstatt Ruß in einem Gefäß anzumischen und dann zur Feinzerkleinerung in eine separate Mühle zu überführen, erfolgt mit dem Cavitron-System alles in einem geschlossenen Kreislauf. Das Ansaugen des Pulvers, Vordispergieren und Enddispergieren geschehen in einem Schritt. Dies vereinfacht den Prozess, reduziert die Anzahl der Geräte und Transfers und minimiert so Fehlerquellen sowie Verluste.
- Minimierte Produktionszeiten und reduzierte Kosten: Der Hochleistungs-Dispergierer von Cavitron erzielt in Minuten das, wofür herkömmliche Verfahren oft Stunden benötigen. Dadurch können Produktionschargen schneller abgeschlossen und Anlagenkapazitäten besser genutzt werden. Weniger Prozessschritte und schnellere Durchlaufzeiten bedeuten auch geringeren Personalaufwand und einen niedrigeren Energieverbrauch pro Charge – ein klarer wirtschaftlicher Vorteil.
- Vollständiger Aufschluss der Rohstoffe für schnelle und reproduzierbare Ergebnisse: Das Cavitron-System zerlegt die Rußagglomerate vollständig bis auf die Primärteilchen. Dies führt zu einer Dispersion mit maximaler Farbtiefe bzw. Funktionalität des Rußes, da alle Partikel gleichmäßig verteilt vorliegen. Jede Produktion erzielt dabei die gleiche hohe Qualität, was für gleichbleibende Produkteigenschaften unerlässlich ist.
- Kompakte Bauweise mit bis zu 90 % geringerem Platzbedarf: Die Cavitron-Dispergiergeräte sind sehr kompakt und lassen sich leicht in bestehende Produktionslinien integrieren – selbst dort, wo Platz Mangelware ist. Im Vergleich zu großen Mahlwerken oder mehreren hintereinandergeschalteten Anlagen spart das kompakte Design bis zu 90 % an Stellfläche. Das ist besonders in engen Produktionshallen oder bei Nachrüstungen ein entscheidender Vorteil.
- Vermeidung verklebter Behälter und Einbauteile: Weil das Dispergieren in einem geschlossenen System erfolgt, bilden sich kaum Ablagerungen von Ruß an Behälterinnenwänden oder Rührern. Es gibt kein Anbacken von Material in Ecken und Kanten. Dadurch bleiben die Geräte sauberer, der Reinigungsaufwand sinkt drastisch und es geht kein teures Produkt durch Verluste an der Apparatur verloren.
- 100%ige Verarbeitung durch Zwangsförderung: Alle Teile der Mischung werden aktiv durch die Rotor-Stator-Zone geführt, wodurch jeder Rußpartikel die notwendige Scherung erfährt. Es gibt keine toten Zonen oder unvollständig dispergierten Bereiche im Behälter. Das Ergebnis ist eine vollständig homogene Dispersion – vom ersten bis zum letzten Liter der Charge.
- Gute Kontrollierbarkeit von Druck und Temperatur: Die Cavitron-Systeme erlauben eine feinfühlige Steuerung der Prozessbedingungen. So kann zum Beispiel beim Umgang mit lösemittelhaltigen Dispersionen das System druckdicht geschlossen betrieben werden, um Lösemitteldämpfe einzuschließen oder ein Inertgas zu nutzen. Die Temperatur lässt sich über Wärmetauscher genau regeln, sodass die Dispersion weder überhitzt noch zu stark abkühlt. Dadurch bleibt die Qualität des Endprodukts stabil und die Sicherheit im Prozess gewährleistet.
- Niedriger Energieaufwand durch kleine Bearbeitungszonen: Anders als große Mühlen, die viel Energie benötigen, um das gesamte Volumen in Bewegung zu halten, konzentriert der Cavitron-Dispergierer die Energie genau dort, wo sie gebraucht wird. Das effiziente Scherprinzip in der kleinen Prozesszone sorgt für eine hohe Dispergierleistung bei vergleichsweise geringem Energieeinsatz. Dies senkt die Betriebskosten und schont Ressourcen.
- Geschlossener, emissionsfreier Prozessraum: Während der gesamten Ruß-Dispergierung bleiben Staub und Lösemitteldämpfe im System eingeschlossen. Die Produktionsumgebung bleibt sauber und die Mitarbeiter sind keinen gesundheitsgefährdenden Rußpartikeln oder Dämpfen ausgesetzt. Auch Geruchsbelästigungen werden vermieden. Dieses geschlossene Verfahren erfüllt höchste Umwelt- und Arbeitsschutzstandards.
- Verarbeitung hoher Feststoffanteile bei reduziertem Lösemittel- oder Wasserbedarf: Das Cavitron-System ist darauf ausgelegt, auch sehr konzentrierte Rußformulierungen zu bewältigen. Hohe Feststoffanteile von Ruß können dispergiert werden, ohne dass überschüssiges Lösemittel hinzugefügt werden muss, nur um die Mischung rührbar zu machen. So entstehen z.B. hochkonzentrierte Pigmentdispersionen oder leitfähige Compounds, die direkt weiterverarbeitet werden können, ohne zuvor große Mengen Lösemittel abzutrennen. Dies spart Kosten und Zeit und kommt der Nachhaltigkeit zugute.
Allgemeine technische Spezifikationen
Statische Dichtungen:
Viton, Teflon, Kalrez, andere Elastomere.
Betriebsdruck:
Bedarfsabhängig, bis 100 bar, Standard: bis 10 bar.
Betriebstemperatur:
Bedarfsabhängig bis 250 °C, Standard: 150 °C.
Leistungen, Energieeinsatz:
Typenübersicht Download.
Antriebe und Kraftübertragung:
Drehstrommotoren, Hochfrequenzmotoren, mechanische Getriebe, Regelantriebe, stufenlose, elektronisch gesteuerte und kontrollierte. Keilriemen, Poly-V-Riemen.
Intensitätsstufen:
Betriebsbezogene, von der groben Vermischung bis zur Dispergierung im Angström-Bereich.
Lagerung:
Kegelrollenlager, Schrägkugellager (doppelt).
engineered.
