Rußen in Kunststoffen - Columbian Chemicals

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13 Der Einsatz von Raven ® -Rußen in Kunststoffen RUSS/POLYMER-VERHÄLTNIS Ein großer Rußanteil im Verhältnis zum Polymer ist in Pigmentkonzentraten wünschenswert, obwohl jedes Polymer eine begrenzte Fähigkeit zur Pig-mentaufnahme hat. Diese Grenze kann nur durch Experimentieren mit dieser speziellen Produktrezeptur und mit der für die Herstellung zur Verfügung stehenden Dispergierungsausstattung ermittelt wer-den. Falls die Kunststoffverbindung weiter verdünnt werden muß, sollten Sie sicherstellen, daß eine ausreichende Polymermenge zur Erreichung einer brauchbaren Viskosität verwendet wurde, damit das Konzentrat in dem verdünnten Harz freigesetzt werden kann. Die Wahl des Raven ® -Rußes zur Erzielung eines guten Mischverhaltens ist teilweise ab-hängig von der Viskositätsanforderung der herzustellenden Verbindung. PROBLEME UND EINSCHRÄNKUN-GEN BEI HOHEN DOSIERUNGEN Bei der Verwendung hoher Dosierungen zur Herstellung einer Rußdispersion können zahlreiche Probleme auftreten. Obwohl ein hoher Rußzusatz erstrebens-wert ist, müssen Einschränkungen hin-sichtlich der zur Verwendung kommenden Menge berücksichtigt werden. Mögliche Einschränkungen sind nachstehend beschrieben: Viskosität des Konzentrats Es gibt viele verschiedene Mischaggregate auf dem Markt, die unterschiedliche Leistungsfähigkeit bei der Erzielung der richtigen Dispergierungsstufen von Ruß aufweisen. Der wichtigste Einzelfaktor bei diesem Unterschied ist die Viskosität der herzustellenden Verbindung. Eine Dispergierungsausstattung, wie zum Beispiel ein Banbury- Mischer oder ein Zweiwalzenstuhl ist besonders wirksam bei der Arbeit mit hochviskosen Verbindungen. Bindemittelchemie Die Kompatibilität von Bindemittel und Ruß kann sich auf dramatische Weise auf die Anforderungen des Dispersionsaufwands auswirken. Eine gute Wechselwirkung zwischen dem Polymer und dem Ruß erleichtert die Benetzung und beschleunigt den Dispergierungsvorgang. In anderen Worten: eine verbesserte Ruß/Polymer- Wechselwirkung führt zu besseren Lei-stungsmerkmalen der Verbindung. Wenn hohe Dosierungen erforderlich sind, sollten Polymere verwendet werden, die für die Verarbeitung mit derartig hohen Zusätzen geeignet sind. Die richtige Wahl effektiver Benetzungs- und Dispersionsmittel kann zu um-fassenden Verbesserungen des Lei-stungsverhaltens eines Kunststoffs führen. Mischexperten im Kunststoffbereich sollten für ihre Anwendungen auch die Vorteile in bezug auf Dispergierung und Rheologie abwägen, die mit nachbehandelten Rußen verbunden sind. VORMISCHEN Bandmischer Henschel-Mischer Wie aus der Tabelle am Anfang dieses Abschnitts ersichtlich, erfordern nicht alle Dispergierungsgeräte eine Vormischung des Rußes mit dem Bindemittel. Um perfekten Betrieb auf Extrudern, Zwei-walzenstühlen und Formmaschinen zu gewährleisten, empfehlen wir jedoch die Vormischung, um einen perfekten Verarbeitungsvorgang sicherzustellen. Der enge Kontakt zwischen Polymer und Ruß im Moment der Harzfusion führt zu höchstmöglicher Scherung und verkürzt gewöhnlich die für die vollständige Dispergierung erforderliche Zeit. Eine Aus-stattung, wie zum Beispiel ein Henschel-Mischer, bietet ausreichende Leistung zur Zerkleinerung von Polymer und Pigment zu Pulverform. Obwohl dies nicht in allen Fällen praktisch ist, ist es jedoch be-sonders nützlich, wenn die Verarbeitung einer Pigment/Polymer-Verbindung im Direktspritzgußverfahren gewünscht wird. Die Wahl des Vormischers Heutzutage steht den Mischexperten im Kunststoffbereich eine Vielzahl von Vormischern zur Verfügung. Die Palette reicht von einfachen Bandmischern bis hin zu Hochgeschwindigkeits-Hochlei-stungs-Modellen, wie zum Beispiel dem Henschel-Mischer. Die Bandmischer wurden entwickelt, um eine ausreichend homogene Mischung der Komponenten ohne großen Energieaufwand herzustellen. Der Hochleistungs-Hochge-schwindigkeits-Mischer bietet ausrei-chend Leistung zum teilweisen Fluxen des Polymers. Es muß jedoch mit Sorgfalt vorgegangen werden, um eine Überhitzung der Charge im Henschel- Mischer zu vermeiden, die dazu führen könnte, daß die Komponenten eine Kunststoffmasse bilden, die bestenfalls schwer aus dem Mischer zu entfernen wäre. Die Mischungsentwickler im Kunststoff-bereich können zwischen zwei Grund-methoden der Dispergierung wählen. Sie können entweder ihr Endprodukt in einem Schritt pigmentieren oder eine Grund-konzentrat- Dispergierungsmethode an-wenden, bei der die Pigmentkon-zentration in der Dispergierungsphase deutlich über dem der fertiggestellten Kunststoffverbindung liegt. Jeder Misch-experte trifft diese Entscheidung indi-viduell auf der Basis seiner Ausstattungs-möglichkeiten und der Anforderungen. Kunststoff-Farbkonzentrate haben gewöhnlich eine recht hohe Viskosität. Sie werden mit den geeigneten Polymeren bis zur gewünschten Dosierung verdünnt, nachdem die geforderte Dispergierungsstufe erreicht wurde. Die Verdünnung eines hochgefüllten Kunststoffpigmentkonzentrats sollte mit großer Sorgfalt ausgeführt werden. Die Verdünnungspolymere müssen langsam in kleinen Mengen hinzugefügt werden, um eine homogene Mischung zu gewährleisten. Idealerweise sollte das Konzentrat der Viskosität des Verdün-nungspolymers nahezu entsprechen, um sicherzustellen, daß eine homogene Verdünnung hergestellt werden kann.
DISPERSIONSMETHODEN Flüssigdispersionsmethoden Medienmühlen Dreiwalzenstühle Flüssigdispersionsmethoden werden bei Flüssigfarbkonzentraten und Plastisolen angewendet. Dispergierung mit der Medienmühle Im weitesten Sinne können Medienmühlen als eine Erweiterung der Kugelmüh-lentechnik unter Verwendung kleinerer Medien betrachtet werden. Der Dispersionsvorgang in einer Medienmühle ist dem einer Kugelmühle in der Hinsicht ähnlich, daß die Dispersion durch Kräfte erreicht wird, die die Medien auf das Pigment ausüben. Eine Medienmühle arbeitet jedoch mit Zentrifugalkräften, die auf die Medien mittels eines Flachscheiben-Rührers ausgeübt werden, der sich mit hoher Geschwindigkeit zur Erzielung der Dispersion dreht. Dahingegen basiert der Betrieb der Kugelmühle auf Schwerkraft, die die Kaskadenfunktion der Medien bewirkt. Zu den Vorteilen der Medienmühle gehö-ren unter anderem die Geschwindigkeit, mit der die Fertigstellung der Disper-gierung erreicht wird, der kontinuierliche Prozeß, die Fähigkeit, Hochviskositäts-systeme erfolgreich zu verarbeiten und die kleinen Abmessungen im Verhältnis zur dispergierten Ansatzmenge. Ein Nachteil der Medienmühle ist, daß, um effizient zu sein, normalerweise ein Vormischen der Rezepturbestandteile erforderlich ist. Zu dem breiten Spektrum von Medien, die beim Verarbeiten in dieser Mühle zum Einsatz kommen, gehören Stahlschrot, Glasperlen und Keramikperlen. Gewöhnlich kann die Dispergierung in Medienmühlen durch Verwendung kleiner Medien zur Erhöhung der Anzahl der potentiellen Aufprallpunkte unter Beibehaltung des Medienvolumens, das 80 - 90 % des inneren Mühlenvolumens ent-spricht, gesteigert werden. Während des Betriebs der Medienmühle verteilen sich die Medien gewöhnlich gleichmäßig in der Mühle. Eine Reduzierung des Volumen-Prozentsatzes der Medien in der Mühle hat zur Folge, daß die Medien zu weit voneinander verteilt sind, um das Pigment wirkungsvoll zu dispergieren. Die Verwen-dung von zuviel Medien in der Mühle führt zu übermäßigem Medienverschleiß. Mit der Medienmühle kann der Kunststoff-hersteller ausgezeichnete Ergebnisse erzielen, wenn er ausreichend Erfah-rungen gesammelt hat. Dispergierung mit dem Dreiwalzenstuhl Um eine perfekte Rußdispergierung mit offenen Mühlen, wie zum Beispiel Dreiwalzenstühlen, zu erreichen, müssen verschiedene Bedingungen erfüllt werden. Der Abstand zwischen den Scherflächen muß sorgfältig eingestellt und eingehalten werden. Zur Erzeugung von Hochglanz, einem hohen Dispergierungsniveau und guter Farbqualität muß der optimale Walzenspalt ermittelt werden. Die sorg-fältige Justierung des Abstands zwischen den Scherflächen ist eine wesentliche Voraussetzung für gleich gute Qualität von Charge zu Charge. Dreiwalzenstühle können von Plastisol-Produzenten zur Verarbeitung hochvis-koser Formeln bei relativ niedrigen Temperaturen eingesetzt werden. Der Einsatz von Raven ® -Rußen in Kunststoffen 14 Wenn die Paste in einer Walzenmühle zu dünn ist, ist eine geringere Dispersion oder ein wesentlich höherer Zeitbedarf für den Mischvorgang zu erwarten. HOCHPLASTIZITÄTSDISPERSION Einschneckenextruder Doppelschneckenextruder Kontinuemischer Banbury-Mischer Zweiwalzenstühle Die Verwendung von Einschneckenex-trudern, Doppelschneckenextrudern, Kon-tinuemischern, Banbury- Mischern und Zweiwalzenstühlen für die Dispergierung beinhaltet das Prinzip des Hochplasti-zitätsmischens mit ein. Dieser Gerätetyp besteht aus zwei dicht beieinanderliegenden Flächen, die eine unterschied-liche Oberflächengeschwindigkeit haben. Die Hochplastizitätsdispersion von Ruß wird schon seit vielen Jahren von Kunststoff-Mischexperten eingesetzt und bietet einen hohen Grad an Disper-sionsleistung, verbunden mit Hochglanz, hohem Pigmentzusatz in Basisdispersio-nen und bessere Entwicklung von Farben und Untertönen. Hochplastizitätsverbindungen sind am leichtesten zu verarbeiten, wenn Harze mit einem großen Schmelztemperaturbereich, wie zum Beispiel Polyolefine, zum Einsatz kommen. Polymere wie Acryl und Styrol, die einen kleinen Schmelztemperaturbe-reich haben, können ebenfalls verarbeitet werden, erfordern jedoch eine sorgfältigere Überwachung der Verarbei-tungstemperaturen. Alle Raven ® -Ruße, sowohl die feinsten als auch die gröbsten Qualitäten, können verwendet werden. Bei diesem Prozeß sollten das Mengenverhältnis der zur Verwendung kommenden Bestandteile und die Maschinentemperatur so gewählt werden, daß die Charge weich genug bleibt, um zu Beginn des Mischvorganges zu fließen. Während die Temperatur ansteigt und der Ruß dispergiert wird, versteift sich die Charge gewöhnlich, weil die Oberfläche des Rußes zur Adsorption des Binde-mittels bereit steht. Zur Regulierung der Chargensteifigkeit und zur Verhinderung der Harzzersetzung ist eine Temperaturregelung erforderlich. Kunststoffe weisen tiefere Farben, blau-eren Unterton, ein besseres Ober-flächenerscheinungsbild und bessere physikalische Leistungsmerkmale auf, wenn der Ruß gut dispergiert ist. Labors, die mit Licht- und/oder Elektronenmikroskop ausgerüstet sind, sollten den Einsatz dieser Ressourcen bei kritischen Anwendungen in Betracht ziehen. Falls diese Verfahren nicht zur Verfügung stehen, kann zur Feststellung der Übereinstimmung mit der Spezifi-kation auf die Bewertung der endgültigen physikalischen Leistungsmerkmale zu-rückgegriffen werden. Wenn die Farb-entwicklung, Schlagzähigkeit oder andere physikalische Eigenschaften nicht den Erwartungen entsprechen, kann von einer unzureichenden Dispergierung ausgegan-gen werden.
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