NEAddiX: Das Additiv Dosier- und Dispergiersystem für die Pulverlackindustrie

NEUMAN & ESSER hat ein Additiv Dosier- und Dispergiersystem entwickelt, das mehrere Vorteile bietet, und die benötigte Menge an Additiven um bis zu 60 % reduziert. Das System heißt „NEAddiX“ und wurde unter realen Bedingungen in der Pulverlackindustrie getestet.

Additive im Pulverlack beeinflussen wichtige Parameter. Es werden z.B. Mattierungsmittel, Verlaufsmittel, Strukturadditive und Fließfähigkeitsmittel verwendet sowie Wachse zur Beeinflussung der Oberfläche.

Die meisten Additive werden im Pulverlack mit der Vormischung verbunden und während der Extrusion in die Formulierung eingearbeitet.

Additive, die die Fließfähigkeit beeinflussen, wie etwa Aluminumoxid und Siliziumdioxid (Silica), werden jedoch erst nach dem Extrudieren mit dem Pulverlack vermischt. Diese werden als Post-Blend-Additive bezeichnet und werden dann entweder vor, nach oder während der Vermahlung zugeführt. [1]

Für das Aufbringen der Pulverbeschichtung ist vor allem die Fließfähigkeit von Bedeutung. Die Additive, hauptsächlich Aluminiumoxid und Siliziumdioxid (Silica), erleichtern den Transport des Pulverlacks, vermeiden Oberflächendefekte sowie das sogenannte Spucken während der Applikation des Pulverlacks. Weiterhin wird durch Aluminiumoxid die Lagerstabilität verbessert, es verhindert die Feuchtigkeitsaufnahme von Pulverlacken und verbessert die Kantenbeschichtung der Substrate. Zusätzlich erhöht Aluminiumoxid die elektrostatisch positive Aufladbarkeit von Tribo-Pulvern. [2]

Die Kosten dieser verwendeten Additive sind ein wesentlicher Faktor bei der Pulverlackproduktion. In der Regel werden ca. 20.000 kg - 50.000 kg Additive pro 10.000 t Pulverlack benötigt.

Ziel ist es, die dem Pulverlack bei der Herstellung beigefügte Menge Aluminiumoxid bzw. Silica zu reduzieren. Auch die Qualität des Pulverlacks soll verbessert werden. Die weißen Flecken auf der Pulverlackoberfläche sollen reduziert werden bzw. vermieden werden.

In der Vergangenheit war es üblich, die Additive manuell in Pulverlackboxen zu geben. Später fügten Pulverlackhersteller die Additive dem Pulverlack im Chips Container hinzu. Dann wurde das Additiv durch Zellenradschleusen vor der Mühle zugeführt. Danach wurden die Additive am Sieb nach dem Zyklon-Austrag beigefügt.

NEUMAN & ESSER hat den Additiv Saugeinlass (Abbildung 1) und später den Additiv Injektor (Abbildung 2) entwickelt.

Mit dem Saugeinlass wird das Additiv aufgrund des Unterdrucks in die Pulverlackmahlanlage in die Produktzuführleitung gefördert. Das Additiv strömt mit den Pulverlackchips in die ICM-Mühle. In der Mühle wird das Additiv mit dem Pulverlack vermischt. Der Nachteil ist, dass ein Teil des Additivs im Filter verloren geht.

Beim Additiv Injektor strömt das Additiv mit Druckluft pneumatisch in den Additiv Adapter. Im Adapter wird das Additiv mit dem Endprodukt vermischt. Im Vergleich zum Saugeinlass ist der Additivverbrauch beim Injektorverfahren geringer. Jedoch wird das Additive schlechter mit dem Pulverlack vermischt.

Bis heute verfügen alle NEUMAN & ESSER-Pulverlacksysteme über den Additiv Saugeinlass oder den Additiv Injektor.

NEUMAN & ESSER hat nun ein neues System entwickelt, bei dem die zugegebene Additivmenge reduziert und die Qualität des fertigen Pulverlackprodukts gleichzeitig verbessert wird. Das neue System heißt NEAddiX.

Das neue Additiv Dosier- und Dispergiersystem besteht aus der Additiv-Dosiereinheit und der Dispergiereinheit. Die Dosiereinheit besteht aus dem Gravimetrischen Dosierer und der Transporteinheit. Im Gegensatz zu den Standardadditivsystemen gibt der NEAddiX das Additiv gravimetrisch auf. Es wird ein Gravimetrischer Dosierer mit einer Doppelschnecke verwendet. Ein Gebläse fördert das Additiv in die Dispergiereinheit. Aufgrund der Konstruktion der Dispergiereinheit werden die Additive dispergiert und mit dem fertigen Pulverlack vermischt.

Der NEAddiX wurde mit dem Additiv Saugeinlass und dem Additiv Injektor verglichen. Für die Vergleichbarkeit wurde das Additiv bei den konventionellen Additivsystemen ebenfalls mit einem gravimetrischen Doppelschneckendosierer aufgeben. Die Tests wurden unter realen Bedingungen mit dem ICM60 Mahlsystem (Abbildung 4) bei denselben Randbedingungen und Parametern durchgeführt.

In den Tests werden zwei Additive mit unterschiedlichen Eigenschaften verwendet. Es wird Aluminiumoxid - AL₂O₃ - mit den drei vorgestellten Additivsystemen in der ICM-Mühle aufgegeben. Im zweiten Schritt wurde Siliziumdioxid - SiO₂ - getestet.

Auch das bestehende Problem der weißen Flecken auf z.B. schwarzen pulverlackbeschichteten Oberflächen wurde getestet. Dazu wurde schwarzer Pulverlack auf der ICM vermahlen und mithilfe des NEAddiX Additive zugeführt. Dabei wird der Additivmassenstrom auf 0,1 % bis 0,5 % Additiv bezogen auf den Pulverlackmassenstrom verändert.

Zur Beurteilung wird die Fließfähigkeit des fertigen Pulverlacks mit dem Rotationsrheometer gemessen. Das Rheometer misst die Scherspannung, die mit der Fließfähigkeit korreliert. Je niedriger der Messwert ist, desto besser ist die Fließfähigkeit.

Die Messung mit dem Rotationsrheometer

Damit die Ergebnisse des neuen Additiv Dosier- und Dispergiersystem hinreichend überprüft werden konnten, wurde ein Rotationsrheometer zur Messung von rheologischen Eigenschaften des fertigen Pulverlacks eingesetzt. Insbesondere das Fließverhalten bzw. die Fließfähigkeit wurde untersucht.

Vermahlener Pulverlack wird zwischen der stillstehenden Platte und der oszillierenden Platte gegeben. Durch Rotation der oszillierenden Platte wird die Probe auf Scherung belastet und eine Schubspannung erzeugt. Hierbei wird die Probe sinusförmig belastet. Es wird zwischen zwei unterschiedlichen Modi unterschieden. Es gibt den spannungsgeregelten Modus und den verformungskontrollierten Modus. Beim spannungsgeregelten Modus wird auf die oszillierende Platte ein definiertes Drehmoment übertragen und daraus die Schubspannung abgeleitet. Die aus der Schubspannung resultierende Verformung wird messtechnisch erfasst. Beim verformungskontrollierten Modus wird ein Verdrehwinkel vorgegeben. Das Drehmoment, welches für die Verformung erforderlich ist, wird gemessen und ist proportional zur Fluidviskosität. [3]

Es können mehrere Geometrien für die oszillierende Platte bzw. Rührergeometrien nach einer Kalibrierung verwendet werden, sofern eine Drehmomenten- und Drehzahlmessung möglich ist. Häufig werden Scheibenrührer, beim Brookfield-Viskometer und Mooney-Scherscheibenviskometer, oder Blattrührer, beim Rotating Vane, eingesetzt. Die Vorteile dieser Methode sind eine gute Homogenität der Probe durch die Mischwirkung sowie unkomplizierter Aufbau, Bedienung, Messung und Reinigung. [4], [5], [6], [7]

Die Abbildungen 6 und 7 zeigen die Fließfähigkeitsergebnisse für die verschiedenen Additivsysteme in Abhängigkeit vom Additivmassenstrom, der auf dem fertigen Pulverlackprodukt basiert.

Der Additiv-Massenstrom wird für Aluminiumoxid auf 0,015 % bis 0,3 % und für Silica auf 0,04 % bis 0,5% eingestellt. Der Unterschied zwischen dem Aluminiumoxid und dem Siliziumdioxid ist die Schüttdichte und die elektrostatische Aufladung des Pulvers. Das Aluminiumoxid hat eine Schüttdichte von ca. 50 g/dm³ und das Siliziumdioxid von 150 g/dm³. Die elektrostatische Aufladung des Siliziumdioxids ist höher als die des Aluminiumoxids. Aufgrund dessen weist Siliziumdioxid mehr Agglomerate auf.

Gemäß Abbildung 4 wird mit dem neuen NEAddiX eine vergleichbare Fließfähigkeit mit 44% weniger Aluminiumoxid als mit dem Additiv Injektor erreicht.

In Abbildung 7 ist zu sehen, dass mit dem Additiv Siliziumdioxid der Trend vergleichbar mit dem in Abbildung 6, Additiv Aluminiumoxid, ist. Mit dem neuen NEAddiX wird jedoch eine ähnliche Fließfähigkeit mit 26% weniger Siliziumdioxid als mit dem Additiv Saugeinlass erreicht. Im Vergleich zum Additiv Injektor wird mit dem NEAddiX bei gleicher Fließfähigkeit ca. 63% Siliziumdioxid eingespart.

Mahlversuche mit schwarzem Pulverlack und unterschiedlichen Additivmengen in Verbindung mit dem NEAddiX zeigen, dass die pulverlackbeschichtete Oberfläche keine weißen Flecken aufweist.

Besser dispergiert

Das neue Additiv Dosier- und Dispergiersystem kombiniert die Vorteile des konventionellen Additiv Saugeinlasses und des Additiv Injektors.

Aus zwei entscheidenden Gründen wird der Additivverbrauch mit dem NEAddiX reduziert. Zum einen erreicht die neue Additivdosiereinheit in Verbindung mit dem Gravimetrischen Dosierer und der Fördereinheit einen konstanten Additivmassenstrom. Mit dem Gravimetrischen Dosierer von NEA wird der Massenstrom so eingestellt, dass der Massenstrom eine Abweichung von nur ca. 5% aufweist. Im Gegensatz zum Volumenstrom ist der Massenstrom von der additiven Schüttdichte abhängig. Damit kann die Massenstromabweichung bis zu 50 % betragen.

Der zweite Grund für den geringeren Additivverbrauch ist die zusätzlich verbesserte Additivdispersion in der Dispergiereinheit. Hier wird die Mischung zwischen Additiv und dem fertigen Pulverlackprodukt deutlich verbessert.

Durch die neu entwickelte Additivdispergiereinheit wird der Additivverbrauch um bis zu 63% reduziert und die Pulverlackqualität verbessert.

Ausblick

Die vorhandenen und neuen Mahl-Systeme können mit dem neuen NEAddiX ausgestattet werden. Für mehr Effizienz kann der NEAddiX mit der NEA-Packstation von Niverplast kommunizieren, um den aktuelle Massenstrom zu ermitteln. Damit wird der additive Massenstrom exakt nach Bedarf eingestellt.

Um die Wirkung weiterer Additive auf den NEAddiX zu analysieren, werden Tests mit verschiedenen Additiven durchgeführt. Darüber hinaus werden die weißen Flecken auf schwarzen und anderen farbigen pulverlackbeschichteten Oberflächen analysiert.