Sieben

Ein Weg um Agglomerate zu eliminieren, stellt das Sieben des Grundmaterials dar. Hierbei werden nicht wie bei der Ultraschallbehandlung die Agglomerate zerstört, sondern aufgrund ihrer Größe ausgeschlossen. Hierzu wurde ein Satz Feststoff-Analysensiebe mit Maschenweiten von 71 µm, 40 µm und 20 µm eingesetzt. Das sulfonierte Grundmaterial P210703CmhS2 wurde in einem Versuch trocken und in einem weiteren Versuch als wässerige Aufschlämmung gesiebt.

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9.3.2.1 Sieben des Trockenmaterials

Aufgrund der geringen Dichte des Materials reichte die Masse der Polymerpartikel nicht aus, um ein Analysensieb aus eigener Kraft zu passieren. Selbst auf einer Analysensiebmaschine verweilte das Material bei der größten Maschenweite immer noch auf der Oberseite des Siebs.

Abhilfe schaffte ein Gummiwischer, wie er für gravimetrische Bestimmungen als Werkzeug eingesetzt wird. Das Material wurde damit per Hand durch ein jedes Sieb überführt. Bei einer Maschenweite von 20 µm erreichte diese Vorgehensweise jedoch ihre Grenze, da das Material mit engerer Maschenweite immer schwieriger das Sieb passierte. Mit viel Geduld war es trotzdem möglich das Material nach Partikelgrößen zu trennen.

Jede aufgefangene Größenfraktion wurde mit dem Lichtmikroskop und dem Coulter-Counter-Verfahren untersucht. Abbildung 9-9 zeigt eine Reihe von Lichtmikroskopaufnahmen, die das Material nach dem Passieren einer jeden Siebmaschenweite darstellen.

Abbildung 9-9: Lichtmikroskopaufnahmen des sulfonierten Grundmaterials P210703 nach dem Passieren eines Analysensiebs mit 71 µm (links), 40 µm (Mitte) und 20 µm (rechts) Maschenweite (500-fache Vergrößerung)

Die folgenden Lichtmikroskopaufnahmen (Abbildung 9-10) zeigen die Rückstande auf den einzelnen Sieben.

Abbildung 9-10: Lichtmikroskopaufnahmen des sulfonierten Grundmaterials P210703 als Rückstand auf Analysensieben mit 71 µm (links), 40 µm (Mitte) und 20 µm (rechts) Maschenweite (500-fache Vergrößerung)

Eine Abnahme der Agglomerate ist anhand der in Abbildung 9-9 abgebildeten Größenfraktionen nicht eindeutig zu beurteilen, da nur ein kleiner Teil der Teilchen

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dargestellt werden kann. Aussagekräftiger sind die Lichtmikroskopaufnahmen in Abbildung 9-10. Hier erkennt man, dass der Rückstand auf dem 20 µm Analysensieb hauptsächlich aus größeren Teilchen besteht, und somit die Fraktion unterhalb des Siebs wesentlich weniger Agglomerate enthalten muss.

Um diese Beobachtung zu verifizieren, wurden die Ergebnisse der Coulter-Counter-Messungen in Abbildung 9-11 dargestellt.

0 0.5 1 1.5 2 2.5

0 10 20 30 40 50

Partikeldurchmesser [µm]

Volumenanteil [%]

P210703CmhS2_k71 µm P210703CmhS2_k40 µm P210703CmhS2_k20µm

0 1 2 3 4 5

0 10 20 30 40 50

Partikeldurchmesser [µm]

Volumenanteil [%]

P210703CmhS2_g71 µm P210703CmhS2_g 40 µm P210703CmhS2_g 20 µm

Abbildung 9-11: Volumenverteilung verschiedener Partikelgrößenfraktionen des sulfonierten PS-DVB Copolymers P210703CmhS2 nach dem Passieren von Analysensieben unterschiedlicher Machenweiten (links) und als Rückstand auf dem Analysensieb (rechts)

Die Diagramme zeigen, dass das Material nach einem Siebgang so gut wie keine Partikel mehr enthält, die größer als die Maschenweiten des Siebs sind. Der Rückstand des 20 µm Siebs besteht hauptsächlich aus großen Teilchen, was mit den Lichtmikroskopaufnahmen in Abbildung 9-10 übereinstimmt.

Das Siebverfahren ist demnach zur Verbesserung der Qualität des Grundmaterials geeignet.

Die mühsame Handarbeit des Trockensiebens beschränkt das Verfahren jedoch auf die Verarbeitung kleinerer Polymermengen. Des Weiteren muss unter dem Abzug oder mit Filtermaske gearbeitet werden, da das trockene Material stark staubt.

Kommerziell sind jedoch Problemlösungen in Form von automatisierten Anlagen zur Siebtrennung erhältlich^{[76, 77]}.

9.3.2.2 Sieben einer Aufschlämmung

Alternativ zum Trockensieben kann man das Material auch als Suspension fraktionieren. Das sulfonierte Polymer wurde dazu vor dem Sieben in Wasser aufgeschlämmt, um das Stauben zu verhindern. Polymer P210703CmhS2 wurde mit Reinstwasser gemischt (15 mL/gSM) und nacheinander auf die einzelnen Siebe gegeben. Die Suspension passierte das 71 µm und das 40 µm Sieb ohne Zuhilfenahme des Gummiwischers schnell mit nur wenig Rückstand. Auf dem 20 µm Sieb schwamm die Suspension oben auf und tropfte langsam hindurch. Der Vorgang wurde durch den Einsatz einer Analysensiebmaschine beschleunigt. Zum Ende des

9 Untersuchungen zur Funktionalisierung des Trägermaterials 72

Siebvorgangs musste mit einem Gummiwischer das Material wiederholt aufgeschlämmt werden, damit das Sieb nicht trocken lief und mit Material verstopft werden konnte.

0 0.5 1 1.5 2 2.5

0 10 20 30 40 50

Partikeldurchmesser [µm]

Volumenanteil [%] P210703CmhS2_k71 P210703CmhS2_k40 P210703CmhS2_k20

0 1 2 3 4 5

0 20 40 60 80 100

Partikeldurchmesser [µm]

Volumenanteil [%] P210703CmhS2_g71 P210703CmhS2_g40 P210703CmhS2_g20

Abbildung 9-12: Volumenverteilung verschiedener Partikelgrößenfraktionen des sulfonierten PS-DVB Copolymers P210703CmhS2 nach dem Passieren von Analysensieben unterschiedlicher Maschenweiten (links) und als Rückstand im Analysensieb (rechts)

Die Ergebnisse der Coulter-Counter-Messungen zeigen erneut den guten Ausschluss großer Teilchen nach dem Passieren eines Siebes. Man sieht, dass eine vergleichbare Qualitätssteigerung wie beim Trockensieben erreicht werden kann. Die Vorteile des Nasssiebens im Vergleich zum Trockensieben sind vor allem die Staubfreiheit und die schnellere Durchführungsgeschwindigkeit. Die Partikel können in einer Suspension die Siebe schneller passieren, da der Abstand zwischen den einzelnen Partikeln größer ist als beim isolierten Feststoff, wodurch eine Verstopfung vermieden wird. Die flüssige Phase unterstützt den Siebvorgang, da diese nahezu ungehindert durch die Siebe dringen kann.

Durch die Anpassung des Dispergiermediums ist eine Erhöhung der Siebgeschwindigkeit denkbar. Zum Beispiel kann durch herabsetzen der Oberflächenspannung des Wassers, z.B.

mit Ethanol, eine bessere Benetzung des kleinmaschigen Siebes erreicht werden.

In wie weit sich die Entfernung von Agglomeraten des Grundmaterials auf die Trennleistung von VBC-DVB-Latexsäulen auswirkt, soll ein Trennleistungsvergleich von Säulen aus ungesiebten, nass und trocken gesiebten Grundmaterialien zeigen. Hierfür wurde eine Charge des sulfonierten Harzes P210703CmhS2 verwendet. Als VBC-DVB-Latex wurde in allen Fällen AL110603mh_t360 eingesetzt.

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Tabelle 9-4: Vergleich zwischen Säulen mit unterschiedlich konditioniertem sulfoniertem Grundmaterial.

Konditionierungsart Säule NCl

[Tp/m]

Q [µEq/Säule]

S1-040123 55400 85

ungesiebt

S3-040123 51900 98

S5-040123 66000 97

S6-040123 55900 108

nass gesiebt

S7-040123 67300 104

S8-040123 65800 103

trocken gesiebt

S10-040123 72100 97

Man erkennt, dass die Trennleistung von Säulen aus gesiebten Materialien tendenziell höher liegt, als bei unkonditioniertem Material. Die Trennstufenzahl liegt bei den gesiebten Materialien um ca. 10000 bis 20000 Tp/m höher, was einer prozentualen Effizienzsteigerung von bis zu 25 % entspricht. Der nicht unerhebliche Siebaufwand kann also durch die signifikante Trennleistungsverbesserung gerechtfertigt werden.

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10 Untersuchungen zur Herstellung von VBC-DVB-Latex und