Einsatz chemischer und mechanischer Entlüfter bei der Entgasung von Streichfarben
Use of deaerator chemicals and mechanical deaerators for the degassing of coating colours
B. Mair und R. Sangl Zusammenfassung
Auf dem Weg von der Streichküche bis zum gestrichenen Papier kommt die Streichfarbe mit Luft und anderen Gasen in Kontakt, so dass sie mit Gasblasen angereichert wird. Gasblasen in Streichfarben können den Betrieb von Streichanlagen und die Qualität gestrichener Pro- dukte beeinträchtigen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollten Ansätze erarbeitet werden, um die effektive Entgasung von Streichfarben zu erleichtern. Zu diesem Zweck wur- den Entlüftungsversuche mit mechanischen und chemischen Entlüftern im Labor, im klein- technischen Maßstab sowie an einem Pilot-Coater durchgeführt.
Allgemeingültige Regeln für die Auswahl des chemischen Entlüftertyps und dessen Dosie- rung konnten nicht abgeleitet werden, was v.a. auf die Komplexität der Streichfarbenzusam- mensetzung mit unterschiedlichen oberflächenaktiven Substanzen in den einzelnen Bestand- teilen zurückgeführt wird. Aus diesem Grund wird eine Labormethode vorgeschlagen, mit der die Wirksamkeit von Entlüftungschemikalien geprüft werden kann.
Bei der mechanischen Entgasung, deren Effektivität durch ergänzenden Chemikalieneinsatz gesteigert werden kann, entscheidet das Wirkprinzip über den zu erwartenden Restgasge- halt. Bei orientierenden Versuchen mit einem Vakuumentlüfter konnte der Gasgehalt unter die Nachweisgrenze reduziert werden. Der Durchsatz als entscheidender Betriebsparameter ist jedoch limitiert, so dass sehr große Apparaturen zur Entgasung von Standardstreichfar- ben erforderlich wären. Allerdings ist der Einsatz von Vakuumentlüftern nur dann gerechtfer- tigt, wenn minimale Restgasmengen unterhalb weniger Volumenprozentpunkte stören.
Beim Einsatz üblicher Auftragssysteme reichen Hydrozyklone mit geringerer Baugröße und weit geringerem Energiebedarf zur Entgasung aus. Damit können je nach Streichfarbe und je nach Viskosität Restgasgehalte unter 5 Vol % erreicht werden. Dies wurde in Pilotversuchen bestätigt bei denen Probleme wie unbedeckte Stellen eliminiert werden konnten. Die Leis- tung des Hydrozyklons wird von der Eintrittsgeschwindigkeit der Streichfarbe in den Trenn- apparat, der Bauform sowie von einer Reihe von Streichfarbeneigenschaften bestimmt. Zu diesen Eigenschaften gehören neben Viskosität und Feststoffgehalt auch die Blasengrößen und deren Verteilung. Der Einfluss des Gasgehaltes auf das Laufverhalten in der Filmpresse konnte in diesen Untersuchungen nicht eindeutig bestimmt werden. Es hat sich jedoch ge- zeigt, dass nicht allein die Kenntnis über den Gehalt an freien Gas (Vol. %) ausreicht son- dern auch solche Parameter wie die Blasengrößenverteilung und das Dehnungsverhalten der Streichfarbe in die Überlegungen mit einbezogen werden sollten.
Der effektivste Weg, hohe Gasgehalte in Streichfarben und damit die durch sie hervorgeru- fenen ungewollten Auswirkungen auf Prozess und Produktqualität zu vermeiden, wird dann beschritten, wenn das Einbringen von Gasen in die Streichfarbe während des Prozesse aus- geschlossen oder zumindest minimiert wird. Durch den gezielten Einsatz chemischer Entlüf- ter, bei konventionellen Auftragssystemen vorzugsweise in Kombination mit Hydrozyklonen, können produktions- und qualitätsschädliche Mengen an freiem Gas (Gasblasen) in der Streichfarbe wieder entfernt werden.
Wenn bereits wenige Bläschen in der Streichfarbe die Produktqualität beeinträchtigen, wie z.B. beim Curtain Coater, muss der Gasgehalt mit richtig betriebenen Vakuumentlüftern un- ter die Nachweisgrenze gesenkt werden.
On their way from the coating kitchen onto the coated paper, coating colours get in contact with air and other gases which tend to accumulate in the form of bubbles. These bubbles can have adverse effects on coater operation (runnability) and the quality of coated products. The research project was aimed at identifying possible ways to make the degassing of coating colours easier and more effective. Degassing trials using deaerator chemicals and mechani- cal deaerators were carried out on a laboratory and pilot-plant scale as well as on a pilot coater.
Because of the complexity of coating colour formulations – which is mainly due to the many different surfactants present in individual colour components - it has not been possible to de- rive generally applicable rules for the optimum selection of deaerator chemicals and their dosing quantities. The authors therefore propose a laboratory method for determining the performance of deaerator chemicals.
The residual gas content after mechanical degassing depends primarily on the mechanism of the device used. The treatment may be rendered more efficient by complementary additions of deaerator chemicals. Initial tests using a vacuum deaerator have shown that it is possible to reduce the gas content to a level below the detection limit. However, because of the lim- ited throughput of the deaerator (which is its key operating parameter), it would take an ex- tremely large apparatus to ensure the adequate degassing of standard coating colours. The use of vacuum deaerators seems justified only in cases where even minimum amounts of re- sidual gases – i.e. less than a few percentage points per volume – would give rise to quality losses or operational trouble.
For common applicator systems, degassing may be carried out in hydrocyclones, which are smaller and consume far less energy than vacuum deaerators. Depending on the formulation and viscosity of the coating colour, the residual gas content may be decreased to less than 5
% per volume. This has been confirmed by pilot tests, where coating defects (skip coating) could be successfully eliminated. The performance of a hydrocyclone depends on the veloc- ity at which the colour enters the separator, the design of the apparatus and on several coat- ing colour characteristics such as viscosity, solids content as well as the size and distribution of gas bubbles. No reliable information could be derived, however, on the influence of gas contents on the coating colour runnability in the metered size press. It has become clear, though, that in addition to determining the free gas content (% per volume), it is important to consider parameters such as the size distribution of gas bubbles and extension behaviour of the colour.
Preventing or minimising the entry of gases into the coating colour throughout the process is the most effective way to avoid high gas contents and their detrimental effects on process and product quality. The targeted use of deaerator chemicals – in conventional applicator systems preferably in combination with hydrocyclones – allows the amount of free gases (gas bubbles) present in coating colours to be reduced to a level which is no longer harmful to the process and product quality.
In applications where even a few air bubbles would give rise to product quality losses, for ex- ample in Curtain Coaters, it is necessary to employ suitably operated vacuum deaerators to reduce the gas content of the coating colour to a value below the detection limit.
1 Einleitung
Beim Streichen von Papier kommt die Streichfarbe während der Aufbereitung und während des Betriebs v.a. beim Energieeintrag und bei chemischen Reaktionen mit Luft oder anderen Gasen in Kontakt. Das so eingetragene Gas reichert sich dabei in der Streichfarbe in Form kleiner Bläschen oder echt gelöst an. Wie stark der sich einstellende Gasgehalt die Qualität (skip coating, Löcher und Kraterbildung Abb.1) und den Gesamtprozess (Schaumentwick- lung) beeinträchtigen, hängt von der Menge, der mittleren Größe und der Größenverteilung der Blasen, von den verwendeten Auftragssystemen und anderen Parametern ab.
Abb. 1 Strichfehler verursacht durch hohe Gasgehalte in Streichfarben
Der Gasgehalt in Streichfarben ist je nach Rezeptur, Auftragssystem und Kreislaufführung recht unterschiedlich. Beim Pigmentstreichen liegt er im Bereich zwischen ca. 5 und 50 Vol.-
% und im Streichfarbenrücklauf sogar bei bis zu 70 Vol.-%. Die Erscheinungsform des Ga- ses (der Luft) reicht dabei von leicht zu erkennendem, großporigem Grobschaum bis zu kaum wahrnehmbaren, feinstverteilten Mikroblasen. Vor allem steigende Maschinenge- schwindigkeiten und der Einsatz neuer Auftragsprinzipien wie z.B. Düsenauftragswerke oder Jet Coater [2], die nicht ohne mechanische Entlüftungsaggregate betrieben werden können, haben in den letzten Jahren zum Einsatz verschiedener mechanischer Entlüftungssysteme in der Papierindustrie geführt [3-5].
Die mechanischen Entlüfter, die beim Pigmentstreichen eingesetzt werden, arbeiten nach dem physikalischen Prinzip des Hydrozyklons. Gasblasen werden dabei aufgrund ihrer Dich- tedifferenz gegenüber der kontinuierlichen Phase der Farbe, also vorwiegend Wasser, im Zentrifugalfeld des Hydrozyklons abgeschieden. Eine weitere Möglichkeit zur mechanischen Entgasung von Streichfarben bietet die Vakuum-Dünnschicht-Technik. Dieses Verfahren wird auch in anderen industriellen Prozessen wie z.B. in der Lebensmittelindustrie zur Entlüf- tung verschiedener Medien eingesetzt. Über eine Verteileinrichtung wird das gashaltige Me- dium beschleunigt und an die Behälterwände geschleudert. Die Luft- bzw. Gasblasen ver- größern sich durch den Unterdruck und können aufgrund der kurzen Wege innerhalb der dünnen Flüssigkeitsschichten leichter von der flüssigen Phase abgetrennt und über eine Va- kuumpumpe abtransportiert.
Neben den Möglichkeiten der mechanischen Entlüftung werden in Streichfarben auch che- mische Entlüfter verschiedener Stoffklassen eingesetzt [6]. Mit ihrem überwiegend hydro- phoben Charakter weisen sie eine ähnliche chemische Struktur wie Tenside auf. Bezogen auf den Anteil an Pigment in der Streichfarbe werden je nach Produkt 0,01–0,5 % zugesetzt.
Entschäumer Entlüfter
Siliconöle Aliphatische Alkohole
Paraffine Fettsäureester Fettalkohol-Alkoxylate Fettsäureethoxylate
Polyglycole Fettsäurepolyether Fettalkohole
Eine Überdosierung dieser Chemikalien kann zu Qualitätsproblemen, zur Bildung sogenann- ter „Fischaugen“, zu Strichfehlern und evtl. sogar zu einer Erhöhung des Gasgehaltes in der Streichfarbe führen [1].
2 Untersuchungen und Ergebnisse
2.1 Chemische Streichfarbenentlüftung im Labormaßstab
In Laborversuchen wurde die Entgasungswirkung von chemischen Entlüftern verschiedener Stoffklassen in abgestuften Dosiermengen bei Streichfarben unterschiedlicher Zusammen- setzung untersucht. Die ausgewählten Streichfarben repräsentierten Rezepturen, die bei der Erzeugung heute gängiger Massendruckpapiere für den Offset- und Tiefdruck sowie für Spe- zialdruckpapiere typisch sind.
Die Auswahl der Chemikalien erfolgte in Abstimmung mit den Herstellern von chemischen Entlüftern. Im Folgenden sind die hier verwendeten Chemikalien kurz charakterisiert:
E 1 (für Entlüfter 1): typischerweise eingesetzt zur Bekämpfung von Oberflächenschaum in hydrophilen chemischen Prozessen und in Kläranlagen aus organischen Feststoffen in neutralem Lösungsmittel,
E 2 (für Entlüfter 2): typischerweise eingesetzt zur Verhinderung von Schaum- und Luftein- schlüssen bei der Aufbereitung und Applikation von Oberflächenveredelungsmitteln aus Fettsäureestern und nichtionogenen Verbindungen,
E 3 (für Entlüfter 3): typischerweise eingesetzt zur Verhinderung von Schaum- und Luftein- schlüssen bei der Aufbereitung und Applikation von Oberflächenveredelungsmitteln aus organischen Feststoffen, Fettsäureestern und Paraffinölen,
E 4 (für Entlüfter 4): typischerweise eingesetzt zur Entschäumung von Streichfarben und Bindemitteln aus flüssigen Kohlenwasserstoffen, hydrophober Kieselsäure synt. Copo- lymeren und nicht-ionogenen Emulgatoren
Die Versuchsdurchführung erfolgte immer nach dem gleichen Schema, das in der Tabelle 2 aufgezeigt ist.
Tab 2: Untersuchung der Wirksamkeit chemischer Entlüftern – Versuchsdurchführung
1. Herstellung von Streichfarbe durch Dispergieren der Pigmente und Mischung der Komponenten
2. Bestimmung des Feststoffgehalts
3. Dispergierung mittels Dissolverscheibe (30 Minuten bei 2000 1/min)
4. Messung des Gasgehaltes durch Bestimmung der Dichte als Ausgangspunkt für die chemische Entlüftung
5. Aufteilung der Proben und Dosieren der Entlüfterchemikalien, wobei Dosier- mengen von 0,05%, 0,1%, 0,2%, 0,25% und 0,4 % eingestellt wurden.
6. Dispergieren mit Dissolverscheibe (15 Minuten) 7. Bestimmung des Gasgehalts
Die Laboruntersuchungen zeigten, dass die Wirksamkeit von Entlüfterchemikalien in Abhän- gigkeit von der Streichfarbenzusammensetzung sehr unterschiedlich sein kann. So gibt es offensichtlich Streichfarben bei denen praktisch alle getesteten Substanzen eine deutliche Reduzierung des Gagehaltes bewirkten. Ein Beispiel dafür ist in der Abb. 2 dargestellt.
Abb. 2 Entwicklung des Gasgehaltes nach Zugabe unterschiedlicher Chemikalien angegeben.
Es gibt aber auch Entlüfterchemikalien, mit denen die Gasgehalte aller hier untersuchten Streichfarben reduziert werden konnten, wie in folgender Abb. 3 am Beispiel E1 gezeigt.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
Dosiermenge [%]
Gasgehalt [%]
Entschäumer/Entlüfter E3 Entschäumer/Entlüfter E1 Entschäumer/Entlüfter E2 Entschäumer/Entlüfter E4
Zusammensetzung:
Clay 30 Teile
natürlich. Calciumcarbonat 70 Teile synthetischer Binder 11,5 Teile
Sontiges 2,4 Teile
Feststoffgehalt 65,4 %
Abb. 3 Entwicklung des Gasgehaltes nach Zugabe des Entgasungsmittels E1 in verschiedenen Streichfarben
In einigen Fällen konnte bei der Steigerung der Zugabemengen von Entgasungs- bzw. Ent- lüftungschemikalien über ca. 0,05 % (und unter 0,3 %) eine Erhöhung des Gasgehalts (E2 und E4) beobachtet werden (Abb. 4).
Abb. 4 Entwicklung des Gasgehaltes nach Zugabe unterschiedlicher Chemikalien
Aus diesen Resultaten war es nicht möglich allgemein gültige Regeln zur Auswahl von Ent- lüfterchemikalien abzuleiten. Sowohl die Streichfarbenbestandteile als auch die Entlüfter- chemikalien enthalten in der Regel oberflächenaktive Substanzen, die sich in ihrer Wirkung bezüglich der Stabilisierung von Luft- oder Gasblasen gegenseitig in nicht vorhersehbarer Weise stören oder unterstützen können.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Dosiermenge [%]
Gasgehalt [%]
Rezept 1 Rezept 2 Rezept 3 Rezept 4 Rezept 5 Rezept 6 Rezept 7 Rezept 8 Rezept 9 Rezept 10
Entschäumer/Entlüfter E1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Dosiermenge [%]
Gasgehalt [%]
Entschäumer/Entlüfter E3 Entschäumer/Entlüfter E1 Entschäumer/Entlüfter E2 Entschäumer/Entlüfter E4
Zusammensetzung:
natürlich. Calciumcarbonat 100 Teile synthetischer Binder 12 Teile CMC oder Stärke 0,5 Teile Feststoffgehalt 65,4 %
Eine Vorauswahl von Chemikalien mit besonders guter Entlüftungseignung für eine Streich- farbe aus handelsüblichen Komponenten, bei denen Art und Konzentration von oberflächen- aktiver Substanzen in der Regel nicht im Einzelnen bekannt sind, gestaltet sich aus diesen Gründen schwierig und die wirksamen Stoffklassen können über die meist vorhandenen Einsatzempfehlungen von üblichen Produkten hinaus nicht eindeutig vorab bestimmt wer- den. Eine Vorauswahl und Optimierung des Einsatzes von Entlüftungschemikalien sollte sich deshalb auf entsprechende Laborversuche stützen.
2.2 Chemische und mechanische Streichfarbenentgasung
Für diese Untersuchungen wurde an der Forschungsstelle ein Versuchsstand erstellt, an dem zwei mechanische Entlüfter, ein Hydrozyklon und ein Vakuum-Dünnschicht-Entga- sungsapparat, zum Einsatz kamen. Aufbauend auf den Ergebnissen der unabhängig vonein- ander durchgeführten Untersuchungen zur chemischen und mechanischen Entlüftung fan- den entsprechende Kombinationsversuche statt.
2.2.1 Aufbau und Durchführung
Ein 50 l-Streichfarbenbehälter, die zwei mechanischen Entgasungsaggregate (Hydrozyklon und Vakuum-Entlüfter), ein PC zur Aufzeichnung der Messergebnisse und die Mohnopumpe als zentrale Fördereinheit stellten die Hauptbestandteile der Technikumsanlage dar. Zur Be- stimmung des Gehalts an freiem Gas wurde in den Versuchsstand ein online- Gasgehalts- messgerät der Firma Mütek, Gas C, integriert. (Messbereich des Gerätes: 0,5 bis 50 Vol. -%
/ Genauigkeit: 0,2 - 0,7 Vol. -%). Außerdem kam ein Pyknometer zum Einsatz. Der Aufbau der Technikumsanlage zur Entgasung von Streichfarben ist in Abb. 5 und 6 schematisch dargestellt.
Abb. 5 Prinzipskizze der Anlage zur Bestimmung der Entgasungswirkung des Hydrozyklons
Zur Bewertung der Wirksamkeit des Entgasungsapparates wurden die Gasgehalte sowohl am Einlauf als auch am Auslauf gemessen.
Arbeits - behälter ca. 50 l
Förderpumpe
Hydro - zyklon
Anlagen - Skizze Hydrozyklon
Schaum - Leitung mit gasreicher Phase pI
pI TI
GG
GG
GG: Bestimmung des Gasgehalts
Abb. 6 Prinzipskizze der Anlage zur Bestimmung der Entgasungswirkung des Dünnschicht- Vakuu- mentgasers
Hydrozyklon
Ein Hydrozyklon entfernt die in der Streichfarbe enthaltenen Gasblasen aufgrund ihrer Dich- te- und Größendifferenz im Vergleich zu den restlichen Streichfarbenbestandteilen (flüs- sig/fest) im Zentrifugalfeld. Konstruktion und Betriebsweise des Zyklons bestimmen die Trenngrenze, also die Größe, ab der Blasen abgetrennt werden . Heute übliche Hydrozyklo- ne zur Entgasung von Streichfarben werden oft so ausgelegt, dass die Trenngrenze bei einer Blasengröße von ca. 200 µm liegt.
Die Streichfarbe strömt im oberen Teil tangential in den Zyklon ein, bewegt sich in einer ro- tierenden Bewegung an der Wand nach unten und tritt dort wieder aus. (Abb. 7)
Abb. 7 Ausführungsbeispiel für einen Hydrozyklon
Je nach Ausgangsgasgehalt lässt sich mit solchen Entlüftern eine Entgasungswirkung von 50 – 70 % erzielen. Im Allgemeinen ist dies für die Vermeidung gasbedingter Qualitäts- oder Produktionsprobleme bei mit Standardauftragssystemen gestrichenen Papieren ausreichend.
GG
GG
Arbeits - behälter ca. 50 l
Förderpumpe
Vakuum - entlüfter
Anlagen - Skizze Vakuumentlüfter
Austrags - pumpe
Luft pI TI
GG
: Bestimmung des GasgehaltsVorteile von Entlüftern, die nach dem Hydrozyklonprinzip arbeiten sind z.B.:
großer Betriebsbereich bezüglich Druck, Temperatur, Flüssigkeitseigenschaften, geringer Verschleiß, da keine beweglichen Teile enthalten sind und dementspre- chend auch ein geringer Wartungsbedarf bei geeigneter Materialauswahl,
relativ geringe Investitionskosten, geringer Platzbedarf
relativ geringe Betriebskosten,(geringer Wartungsbedarf und Energieeintrag nötig), relativ hohe Entgasungswirkung .
Das Verhalten der Partikel im Gravitations- oder Zentrifugalfeld lässt sich bei laminarer Parti- kelumströmung durch das Stokes´sche Gesetz beschreiben [2]:
w rel = ω² r (ρsusp – ρd) . dBlase² /18η (1) mit: w rel : Blasengeschwindigkeit im Zentrifugalfeld
ω : Radialgeschwindigkeit
r : relative Position des Partikels im Zyklon ρd : Dichte von Luft bzw. Gas (disperse Phase) ρsusp : Streichfarbendichte
dblase: Blasendurchmesser
η : Viskosität der Streichfarbe im Zyklon
Je größer die Dichtedifferenz zwischen Partikel (Blase) und dem umgebenden Medium und je größer der Partikeldurchmesser sind, desto schneller bewegen sich die Partikel in radialer Richtung, in die die Zentrifugalkraft wirkt. Gase und Luft haben eine spezifische Dichte um 1.000 kg/m³, ein Zahlenwert der sehr klein ist im Vergleich zur Dichte der Streichfarbe, die je nach Zusammensetzung etwa 1.500 kg/m³ beträgt (Die Streichfarbe als Mehrkomponenten- system wird dabei stark vereinfachend als homogenes Medium betrachtet). Das führt dazu, dass sich gasarme Streichfarbe an der Innenwand des Hydrozyklons ansammelt und der von der Mitte abgezogene Volumenstrom reich an freiem Gas ist.
Für die Berechnung von Hydrozyklonen werden in vielen Lehrbüchern, z.B. Mersmann [7], eine Reihe von Berechnungsgrundlagen zur Verfügung gestellt. Unter Verwendung dieser Nomenklatur lässt sich der Druckverlust in einem Hydrozyklon ausdrücken als
∆p = ½ ρsusp wu² mit z = a/g; a = 2 wu² / d (2)
z = 4 ∆p / (ρsusp g d ) (3)
Für den Trennkorndurchmesser dp,TK gilt:
dp,TK = [18 η / (g (ρd − ρc) ) . qa / z ] 0,5 , (4)
wobei die
Klärflächenbelastung qa [m³/m²/s] berechnet wird aus
qa = [ κ/π . d/l . (∆p /ρsusp ) 0,5 (5) Daraus folgt:
dp,TK = [κ/π .18 η / (ρd − ρc) ] 0,5 . d/l0,5. (ρsusp / ∆p)0,25 (6)
zwischen 0,2 und 0,6 l/s ausgelegt und arbeitet ab einem anliegenden Druck von 0,5 bar zu- frieden stellend.
Verwendet man die Geometriedaten des Hydrozyklons, so ergeben sich Trennkorndurch- messer, also Blasengrößen, die abgetrennt werden, die im angegebenen Betriebsbereich bei ca. 200 µm liegen. Das deckt sich mit den Herstellerangaben.
Vakuumentlüfter
Der Dünnschicht-Vakuum-Entlüfter stellt eine weitere Möglichkeit der mechanischen Entlüf- tung von Streichfarben dar. Hierbei wird das Gas durch einen im Entlüfterbehälter aufge- brachten Unterdruck aus der flüssigen bzw. festen Phase extrahiert und über eine Vakuum- pumpe abtransportiert. Die entlüftete Streichfarbe wird aus dem Sumpf des Vakuumbehäl- ters abgepumpt. In diesem Projekt wurden orientierende Untersuchungen durchgeführt. Wei- tere sind geplant und werden nach deren Abschluss veröffentlicht.
Versuchsdaten
Für die Entgasungsversuche kam eine Standardoffsetstreichfarbe ohne (Farbe 1) und mit chemischen Entlüfter (Farbe 2) sowie eine in der Kartonindustrie (Farbe 3) gängige Rezep- tur zum Einsatz deren Zusammensetzungen und wesentlichsten Daten in der Tabelle 3 dar- gestellt sind.
Tab. 3 Zusammensetzung der Streichfarbe
Farbe 1 Farbe 2 Farbe 3
Clay 20 Teile 20 Teile 70 Teile
Natürliches Calciumcarbonat 80 Teile 80 Teile 30 Teile
Synthetischer Binder 12 Teile 12 Teile 14 Teile
Synthetischer Verdicker 0,4 Teile 0,4 Teile
CMC / Polyvinylalkohol 0,5/0,3 Teile
Optischer Aufheller 0,5 Teile 0,5 Teile 0,2 Teile
Vernetzer 0,4 Teile
Chemischer Entlüfter E2 ohne 0,05 Teile Ohne
Viskosität Brookfield (100) 950 mPas 950 mPas 410 mPas
Feststoffgehalt 62,1 % 62,6 % 56 %
Dichte 1,526 kg/m³ 1,533 kg/m³ 1,429 kg/m³
Bei den Untersuchungen am Hydrozyklon wurden der Volumenstrom sowie der Feststoffge- halt einschließlich der Viskosität variiert.
Tab. 4: Betriebsdaten bei den Hydrozyklon- Versuchen
Durchsatz – Leistung der Förderpumpe: 1,2 – 30 l/min
Durchsatz – Gutstoff 0,4 – 16,8 l/min
Einlaufdruck 0,3 – 2,0 bar
Auslaufdruck 0,3 – 1,8 bar
Messergebnisse: Feststoffgehalt; Viskosität; pH-Wert,
Temperatur; Gasgehalt - Pyknometer
Beim Betrieb des Hydrozyklons entsprechend den Angaben des Herstellers verließen fast 50% des Gesamtvolumens den Hydrozyklon als „gasreiche“ Phase.
2.2.2 Ergebnisse
Variation des Volumenstroms beim Hydrozyklon
Die Farben 1 und 2 wurden zunächst bei variierendem Volumenstrom von 1 – 30 l/min in dem in der Abb. 5 dargestellten Versuchsaufbau durch den Hydrozyklon entgast.
Im Hydrozyklon ergeben sich Beschleunigungen bis zum 280-fachen der Erdbeschleuni- gung. Unter diesen Bedingungen liegt die abtrennbare Blasengröße bei geringer hydrauli- scher Belastung des Hydrozyklons bei ca. 3 mm. Sie kann jedoch bei höheren Durchsätzen unter 200 µm sinken. In Abb. 8 ist die Entwicklung des Gasgehaltes in Abhängigkeit von der hydraulischen Belastung des Hydrozyklons dargestellt.
Abb. 8 Entwicklung des Gasgehaltes bei unterschiedlicher Beschickung des Hydrozyklons
Der Gasgehalt der Farbe 1 (ohne chemischen Entlüfter) konnten bis auf ca. 30 % des Aus- gangsgasgehaltes reduziert werden.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
0 20 40 60 80 100
Förderpumpe [%]
Gasgehalt [Vol%]
SF ohne chem. Entlüftung (BV100 = 900) SF mit chem. Entlüftung (BV100 = 900)
minimale Gasgehalt der entlüfteten Streichfarbe lag bei ca. 1 %, was etwa 40 % des Aus- gangsgasgehaltes entspricht. Ein chemischer Entlüfter unterstützt die Wirkung des mechani- schen Entgasers. Das beste Entlüftungsergebnis wurde bei 50 % der Förderpumpenleis- tung, das sind 13,6 l/min erreicht, und zwar unabhängig von der chemischen Streichfarben- entlüftung.
Variationen in Streichfarben und Feststoffgehalten beim Hydrozyklon
Im Weiteren wurden Streichfarben in Feststoffgehalt und Viskosität verändert und am Hydro- zyklon entgast. Der Gasgehalt im Behälter wurde dabei nicht manipuliert, da eine gezielte Beeinflussung des Gasgehaltes in der Regel auch das Größenspektrum der Gasblasen ver- ändert.
Eine wesentliche Einschränkung der Interpretation der hier vorgestellten Ergebnisse stellt die nicht bekannte Blasengrößenverteilung in den Streichfarben dar. Die hohen Feststoffgehalte verhindern eine direkte Bestimmung der Blasengröße auf optischen Wege. Eine Ultraschall- messungen erscheint momentan noch nicht geeignet, exakte Lösungen zu generieren, und eine Veränderung der Feststoffgehalte für die Messung bedeutet einen gravierenden Eingriff in das Gleichgewicht des Systems, so dass auch dabei Änderungen in der Blasengrößenver- teilung zu erwarten wären.
Die Entgasungsleistung bezüglich des volumetrischen Gasgehaltes kann z.B. durch Abb. 9 illustriert werden, in der die Entwicklung des Gasgehalts im Vorratsbehälter (quadratische Symbole) und damit vor dem Hydrozyklon zusammen mit den Gasgehalten nach der Entlüf- tung (Rauten als Symbole) über der hydraulischen Belastung des Hydrozyklons aufgetragen ist.
Abb. 9 Entwicklung des Gasgehalts im Vorratsbehälter und nach dem Hydrozyklon
Aus dieser Abbildung wird auch der Effekt deutlich, dass als Folge der großen Rücklaufmen- gen (fast 50% des Gesamtstromes) an gasreicher Streichfarbe der Gasgehalt im Vorratsbe- hälter (also der Streichfarbe vor der Entgasung) mit zunehmender Versuchszeit steigt. (Die Fördermenge wurde über die Versuchszeit erhöht.) Andererseits steigt die Entgasungsleis- tung trotz dieses Effekts, wenn der zugeführte Volumenstrom in den Bereich von ca. 15 – 20 l/min ansteigt.
Ähnliche Ergebnisse konnten mit allen untersuchten Streichfarben erzielt werden. Die hier verwendete mechanische Entgasung führte dazu, dass die Streichfarben auch bei relativ ho- hen Ausgangsgasgehalten (z.T. über 20 Vol-%) auf Werte um 5 % und darunter reduziert werden konnten.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
0 5 10 15 20
Fördermenge [l/min]
Gasgehalt [Vol%] nach Entgasung vor Entgasung
Die Farben mit chemischem Entlüfter enthielt nach dem Hydrozyklon weniger als 5 % Gas und konnten bis unter 1 % entgast werden.
Der Einfluss der Viskosität auf den Gasgehalt nach dem Hydrozyklon ist in Abb. 10 darge- stellt. Dort wird auch die Erfahrung bestätigt, dass mit zunehmender Viskosität des Mediums die Entgasung erschwert wird. Als charakteristische Viskosität wurde hierbei die Brookfield- Viskosität bei 100 Umdrehungen der Spindel pro Minute verwendet.
Abb. 10 Abhängigkeit der erzielten Gasgehaltes von der Viskosität nach Brookfield
Diese Untersuchungen zeigten, dass die hydraulische Belastung des Hydrozyklons, also der Volumenstrom, mit dem der Hydrozyklon beschickt wird bzw. eine entsprechende relevante Geschwindigkeit, erwartungsgemäß von entscheidender Bedeutung für die Entgasungswir- kung ist. Sie beeinflusst auch den Trennkorndurchmesser, also die Blasengröße, ab der Gasblasen vom Hydrozyklon abgeschieden werden. Auch eine gezielte Veränderung von Streichfarbeneigenschaften wie z.B. der Viskosität veränderten das Entgasungsergebnis.
Aus Abb. 11 lässt sich ableiten, dass ein Hydrozyklon so betrieben werden sollte, dass der berechnete Trennkorndurchmesser möglichst klein ist. Damit wird sicher gestellt, dass ein großer Teil des freien Gases abgetrennt wird und der Gasgehalt in der „entgasten“ Streich- farbe sinkt. Da ausschließlich dieser Trennkorndurchmesser bzw. diese Blasengröße in die Berechnung der dimensionslosen Kennzahlen wie etwa der Reynoldszahl eingeht, und nicht der gemessene, volumetrische Gasgehalt, ist es nicht verwunderlich, dass direkte Abhängig- keiten etwa des Gasgehaltes nach der Behandlung im Hydrozyklon von Reynolds-, Froude- oder Weberzahl nicht eindeutig nachzuweisen sind. Allerdings erkennt man in den folgenden Darstellungen, dass etwa mit zunehmender Reynoldszahl die Entgasungsleistung steigt, der Restgasgehalt also abnimmt. Hierbei wurde die Reynoldszahl für die Rohrströmung am Ein- lauf des Hydrozyklons gebildet (Abb. 12).
Förderpumpe bei 65% = 18,4 l/min
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0
0 500 1000 1500
dyn. Viskosität (Brookfield 100) [mPas]
Gasgehalt [Vol%]
Abb. 11 Experimentell ermittelter Zusammenhang zwischen Trennkorndurchmesser des Hydrozyklons und dem verbleibenden Gasgehalt in der Streichfarbe
Abb. 12 Experimentell ermittelter Zusammenhang zwischen Gasgehalt und errechneter Reynoldszahl für die Rohrströmung am Einlauf des Hydrozyklons
Weitere Kennzahlen wurden ermittelt, ohne dass sie zusätzliche und für die Maßstabsüber- tragung verwertbare Aussagen liefern.
Die Entgasungsleistung eines Hydrozyklons reicht für den Betrieb konventioneller Streichan- lagen aus. Dabei weist der Hydrozyklon eine sehr geringe Baugröße, Wartungs- und Reini- gungsbedarf auf. Der Restgasgehalt nach der Entlüftung mittels Hydrozyklon ist allerdings nicht vernachlässigbar, so dass der alleinige Einsatz bei so genannten Gießverfahren, wie z.B. Curtain Coating, in der Regel nicht ausreichen wird, um ein fehlerfreies Produkt zu er- zeugen.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
0 1 2 3 4 5
Gasgehalt [% ]
Trennkorndurchmesser [mm]
Reynoldszahl Rohrströmung
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0 1 2 3 4 5
Gasgehalt [%]
Kennzahl
Orientierende Untersuchungen mit dem Vakuumentgaser belegten, dass Luft- und Gasblä- schen fast vollständig aus Streichfarben entfernt werden können. Dies ist für übliche Anwen- dungen beim Filmpressenauftrag oder Bladestreichen nicht zwingend erforderlich. Für den Auftrag mittels Curtain Coater ist dies dagegen eine unabdingbare Voraussetzung, da jede Blase in der Streichfarbe direkt zu Fehlstellen im Strich führt und somit echte Qualitätseinbu- ßen zur Folge hat. Das Ergebnis beim Betrieb solcher Vakuum - Anlagen wird sehr stark vom angelegten Unterdruck beeinflusst. Je niedriger der Absolutdruck, desto besser die Ent- gasungsleistung. Für eine weitere Optimierung dieser Anlagen ist jedoch eine eingehende Untersuchung im Bereich der Verteilerleinrichtung sowie des verwendeten Materials erforderlich.
Versucht man die Bedeutung der Streichfarbeneigenschaften für den Entgasungsprozess im Hydrozyklon zu werten, so lassen sich zusammenfassend folgende Abschätzungen treffen:
Streichfarbeneigenschaften:
Oberflächenspannung σ : Da die Streichfarbe das Papier gut benetzten soll, und weil schon sehr viele oberflächenaktive Substanzen in der Farbe enthalten sind, sind die Möglichkeiten der Beeinflussung begrenzt. So lange die Oberflächen- spannung linear in die Berechnungsgleichungen für die Abtrennleistung eines mechanischen Entgasers ein- geht, sind die Einflussmöglichkeiten relativ gering. Für die Blasenstabilität und die chemische Entgasung/ Ent- lüftung, bei der diese Stabilität gezielt gestört werden soll, kann die dynamische Veränderung der Oberflä- chenspannung nach sehr kurzen Zeiten von größerer Bedeutung sein.
Dichte der Streichfarbe ρ : In vielen Fällen ist die Streichfarbendichte kaum beein- flussbar. (Streng genommen müsste die Dichte der flüssigen Phase, also ohne Pigmente betrachtet wer- den, worauf hier allerdings verzichtet wurde).
Dichte der Gasblasen ρ : Die Bedeutung der Gasdichte erscheint sehr gering;
die relevante Größe ist die Dichtedifferenz zwischen Streichfarbe und Bläschen, wodurch der Zahlenwert für die Blasendichte, der um den Faktor 1000 geringer ist als für die Streichfarbe, vernachlässigbar wird.
Viskosität der Streichfarben η : Die Viskosität der Streichfarbe ist wohl diejenige Ei- genschaft, die im weitesten Bereich gezielt beeinflusst werden kann. Sowohl die Untersuchungsergebnisse als auch theoretische Überlegungen führen zu dem Schluss, dass eine geringe dynamische Viskosität die mechanische Entgasung erleichtert.
Betriebsbedingungen:
Konstruktive Gegebenheiten der Diese Daten sind in der Regel kaum beeinflussbar und mechanischen Entlüfter: vom Hersteller festgelegt. Beim Vakuumentgaser ist ins- besondere die Verteilvorrichtung bzw. der Drehteller ei- ne Anlagenkomponente, die ein weiteres Optimierungs- potenzial bezüglich Betrieb aber auch bezüglich Design aufweisen könnte.
ein geringer zugeführter Volumenstrom der Entgasungs- leistung vorteilhaft, während beim Hydrozyklon die Ein- laufgeschwindigkeit wesentlichen Einfluss auf die Schleuderziffer hat. Bei erhöhter Geschwindigkeit ver- ringert sich der Trennkorndurchmesser und damit auch der Gasgehalt nach dem Hydrozyklon.
Druckverhältnisse Im Vakuumentgaser muss der Druck so niedrig wie möglich eingestellt werden, um eine maximale Wirkung zu erreichen. Im Hydrozyklon hängen die Druckver- hältnisse vor allem von der Eintrittsgeschwindigkeit ab, aber auch von den Gegendrücken in den Leitungen für die gasreiche und die gasarme Phase.
Entscheidende Einflussgröße: Blasengrößenverteilung;
Wenn die treibende Kraft für die Abtrennung von Gas- blasen aus Flüssigkeiten eine Beschleunigung ist, stellt die Größe einer Einzelblase das wohl wichtigste Krite- rium für die Entgasung dar. Eine zunehmende Blasen- größe dp vereinfacht die Abtrennung entsprechend der zunehmenden Relativgeschwindigkeit nach der For- mel:
wrel = ( dp² . ∆ρ . g ) / ( 18 ηc ) . KH
wobei im Zentrifugalfeld des Hydrozyklons die Erdbe- schleunigung g mit der Schleuderziffer multipliziert werden muss. Die Blasengröße geht als einzige Größe quadratisch in obige Gleichung ein. Eine Veränderung der Blasengröße (halber Druck verdoppelt das Blasen- volumen bei idealen Gasen) hat demnach einen stär- keren positiven Einfluss auf die Entgasungsleistung als z.B. eine niedrige Viskosität, die nur linear in diese Be- ziehung eingeht.
2.3 Untersuchungen an der Pilotanlage
Zur Überprüfung der Übertragbarkeit der Ergebnisse in die Praxis wurde eine Streichfarbe mit 4 unterschiedlichen Einstellungen hinsichtlich Entlüftung an einem Pilot-Coater getestet.
Zur mechanischen Entgasung stand am Pilot–Coater ein Hydrozyklon-Entlüfter gleicher Bauart, wie er bei den Technikumsversuchen verwendet worden war, zur Verfügung.
2.3.1 Aufbau und Durchführung
Die Versuche fanden an der Pilotstreichanlage VESTRA in München unter Verwendung der Filmpresse mit einer Geschwindigkeit von 1.200 m/min statt.
Tab. 5: Betriebsdaten bei den Versuchen an der Pilotstreichanlage
Auftragssystem: Filmpresse einseitig
Geschwindigkeit: 1.200 m/min
Streichfarbenfeststoffgehalt: 62 – 63%
Viskosität Brookfield (100 Upm): 900 – 1.200 mPas
pH - Wert: 8.8
Streichrohpapier: Standard-Offsetpapier mit 80 g/m²
Auftragsgewicht: pro Seite 10 g/m²
Endfeuchte: 6 %
A 1. Seite = Siebseite
B 2. Seite = Oberseite
Laufzeit pro Seite: 8 – 10 Minuten
Um den Einfluss des Gasgehaltes der Streichfarbe auf die zu untersuchenden Parameter ef- fektiv bestimmen zu können, kam das online Messgerät Gas-C zum Einsatz. In der Abb. 13 ist der Versuchsaufbau an der Pilotanlage dargestellt. Die Proben zur Gasgehaltsbestim- mung wurden direkt nach der mechanischen Entlüftereinheit im Zulauf zum Auftragswerk genommen.
Abb. 13 Versuchsaufbau an der Filmpresse
Versuchsaufbau - Pilot-Versuche
Pumpe Filter Arbeits-
behälter des Pilot- Coaters
Auftrags-system Filmpresse
Mech Entl.
Probe- nahme Gas-
gehalts- meßgerät Probe-
nahme
Rücklauf (Arbeitsbehälter) Slave
Master
rückgeführt. Die Verwendung mehrerer Zyklone soll verhindern, dass ein zu hoher Volumen- strom den Entgaser flutet. Im Nachfolgenden ist die Einstellung des Hydrozyklons während der Versuche zusammengefasst.
1. Zyklon: 100 % geschlossen 2. Zyklon 50 % geschlossen 3. Zyklon 100% offen
Differenzdruck: 0,5 bar
Die Basis für die Versuche an der Filmpresse bildete eine Standardfarbe für Offsetdruckpa- piere mit folgender Zusammensetzung:
Tab. 6: Zusammensetzung der Streichfarben am Pilotversuch
80 Teile natürliches Calciumcarbonat
20 Teile Clay
12 Teile synthetischer Binder 0.4 Teile synthetischer Verdicker 0.5 Teile optischer Aufheller 0.05 Teile chemischer Entlüfter
Das Versuchsprogramm umfasste insgesamt vier Versuche:
• ohne Entlüftung (V1),
• mit ausschließlich (optimierter) chemischer Entlüftung (V4),
• mit ausschließlich (optimierter) mechanischer Entlüftung (V2) und
• mit einer optimalen Kombination aus mechanischer und chemischer Entlüf- tung (V3).
Der Typ und der Anteil an chemischem Entlüfter ergab sich aus den Einsatzempfehlungen der Herstellern und den Labor- und Vorversuchen.
Ein wesentliches Kriterium für die "Runnability" an der Filmpresse ist das Nebeln der Farbe, das sogenannte Misting. Während der Versuche wurde deshalb das Misting durch gravimet- rische Online-Messungen quantifiziert. Dabei werden die „Nebeltropfen“ am Auslaufnip der Auftragswalzen mittels einer Waage aufgefangen und gewogen. Eine Aufzeichnung der Ge- wichtszunahme pro Zeiteinheit erlaubt dann den Vergleich unterschiedlicher Betriebszustän- de. Neben den Maschinendaten, dem Gasgehalt und der Nebelmenge (Misting) als Maß für die Runnability wurden weitere ausgewählte Streichfarben- und Papiereigenschaften für die Qualitätsbewertung herangezogen die in der (Tabelle 7) zusammengefasst dargestellt sind.
Tab. 7: Papiereigenschaften und Farbdaten der Pilotversuche
Streichfarbe:
Feststoffgehalt; pH-Wert; Temperatur
Low-shear-Viskosität: Viskosität Brookfield (20, 50 und 100 Upm);
High-shear Viskosität:
- Haake Rotationsviskosimeter M10/HS1 bei 1000 Upm (entspr. D = 44.000 1/s);
- Hochdruckkapillarviskosimeter (max. Scherrate ca. 1.3*106 1/s);
Wasserrückhaltevermögen – modifiziert SD Warren;
Papierprüfung:
Flächengewicht; Dicke; spezifisches Volumen Weißgrad R457; Opazität; Gelbwert;
Rauhigkeit nach Parker-Print Surf;
Glanz TAPPI 75°
2.3.2 Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Bei diesen Pilotversuchen kam es zu keiner signifikanten Beeinflussung des Laufverhalten der Filmpresse und der Papierqualität durch steigenden Gasgehalt.
Die Entwicklung des Gasgehaltes während des Versuches ist in Abb. 14 dargestellt. Am Ende des Versuches lag der Gasgehalt zwischen 7 und 10 Vol. % .
Abb. 14 Entwicklung des Gasgehalts während der Versuchsdauer
0 2 4 6 8 10 12
1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
Laufzeit [min]
Gasgehalt [Vol.-%]
ohne mechanisch chemisch + mechanisch chemisch
1. Seite
2. Seite
sen die Streichfarben ohne einen mechanischen Entlüfter auf.
Dessen Wirkung, also die Entfernung von Gasblasen oberhalb einer bestimmten Größe und die damit verbundene Veränderung in der Größenverteilung (Verschiebung in Richtung klei- nerer Blasengrößen), könnten nach diesen Ergebnissen die Mistingrate erhöhen. Die Ursa- chen dafür werden in den unterschiedlichen Wirkungsweisen der eingesetzten Entlüftersys- teme vermutet.
Abb. 15 Nebelmenge während der Pilotversuche
Wenn größere Blasen beim Filmsplit nach dem Filmpressennip die dort entstehenden Fila- mente als eine Art „Sollbruchstelle“ bereits frühzeitig zum Reißen bringen und nur wenig Streichfarbenvolumen zur Verfügung steht, das den Nebel ausbilden kann, dann könnte das als Erklärung dafür dienen, dass beim Einsatz eines Hydrozyklons hier eine etwas stärkere Neigung zu Nebelbildung beobachtet werden konnte. Diese Tendenz wird in Abb.16 darge- stellt. Die Versuche ohne mechanischen Entlüfter zeichnen sich durch einen höheren Gas- gehalt und niedrige Mistingwerte aus. Während die mit chemischen Entlüftern behandelten Streichfarben den mittleren Bereich abdecken, wies die nur mit mechanischem Entlüfter be- handelte Farbe die höchste Menge an aufgefangenem Nebel von 0.52 g/s auf.
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55
1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
Laufzeit [min]
Misting [g/s]
ohne mechanisch chemisch + mechanisch chemisch
Abb. 16 Zusammenhang zwischen Misting und Gasgehalt – Seite B
Ein Zusammenhang zwischen dem volumetrischen Gasgehalt der Streichfarbe und der In- tensität des Mistings an der Filmpresse konnte bei diesen Versuchen nicht nachgewiesen werden. Die Intensität des Mistings scheint vor allem von anderen Bedingungen beeinflusst zu werden, wie z.B. von dem Dehnverhalten der Streichfarbe oder der Größe und Größen- verteilung der Gasblasen, also auch der Art der Entlüftung.
Im Rahmen von Arbeiten für das PTS-Forschungsforum „Gasgehalt in Streichfarben“ wurde eine tendenziell abnehmende Nebelbildung mit zunehmendem Gasgehalt festgestellt. Inwie- weit Mischungsvorgänge, die Art und Weise des Einbringens der Entlüfterchemikalien oder andere Einflussfaktoren noch eine Rolle spielen, kann nur durch weitere Pilotversuche ermit- telt werden.
In den hier durchgeführten Pilotversuchen wurde das Laufverhalten und die erzielbare End- qualität durch den steigenden Gasgehalt nicht signifikant beeinflusst. Andere Versuche, v.a.
im Rahmen des oben genannten Forschungsforums unterstützen diese Erkenntnisse prinzi- piell. So ist in der Abb. 17 zu erkennen, dass bei der Filmpresse, aber auch bei dem her- kömmliche Walzenauftrag im Bereich bis zu etwa 10 Vol-% Gas keine Limitierungen bezüg- lich des Anlagenbetriebes zu erwarten sind. Beim Düsenauftrag mit Blade-Egalisierung wer- den die Freiheiten in den Maschineneinstellungen schon ab 5 % Gasgehalt eingeschränkt.
Skip-Coating als typische Störung tritt ab ca. 10 % auf, während beim Betrieb von Düsenauf- tragswerken ohne Nachdosierung schon wenige %-Anteile an freiem Gas in der Streichfarbe zu Fehlern im Papier führen.
Misting=f(Gasgehalt) B
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55
5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10
Gasgehalt [Vol.-%]
Misting [g/s]
ohne mechanisch chemisch + mechanisch chemisch
Gasgehaltsabhängige Prozesslimitierungen - neu
0 10 20 30
Filmpresse Walze/Blade Düse/Blade Curtain Coater Slot-Die
G a sg eh al t [ V o l.- % ]
Dieser Bereich wurde nicht erreichtFreiheit Maschinen- einstellungen
skip coating
Betrieb unmöglich
+ + + + +
+ o
o
Betrieb unmöglich
Betrieb unmöglich
Betrieb unmöglich Störungen im
Strichbild
+ +
Freiheit Maschinen- einstellungen
++
Abb. 17 Gasgehaltsabhängige Prozesslimitierungen [8]
Die Entfernung von Gasblasen aus der Streichfarbe beeinflusst in der Regel auch deren Vis- kosität. Ähnlich wie Feststoffe, also Pigmente, können Gasblasen bei höheren Konzentratio- nen die Viskosität erhöhen. So kann durch eine effektive Entgasung einerseits das Betriebs- fenster von Auftragssystemen in Richtung eines höheren Feststoffgehalts verschoben wer- den, andererseits können Blade- oder Rakeldrücke verringert werden. Einsparungen in der Trocknungsleistung durch höheren Feststoffgehalt können also sowohl zur Kostenreduzie- rung als auch zur Geschwindigkeitsoptimierung beitragen.
Klärungsbedarf besteht beim Vergleich mit anderen Ergebnissen sicher noch bei vielen De- tails, die von Streichfarbenzusammensetzung, eventuell sogar vom Herstellungsprozess der Streichfarbe mit abhängen können, insbesondere dann, wenn auch chemische Entgaser eingesetzt wurden.
2.4 Schlussfolgerungen
Bei ungünstiger Streichfarbenzusammensetzung oder Betriebsweise der Streichfarbenher- stellung bzw. -Applikation kann der Gasgehalt in Streichfarben so hoch werden, dass Prob- leme im Anlagenbetrieb oder bei der Papierqualität auftreten.
Ein bedachter Betrieb von Streichanlagen, die so konzipiert sind, dass hohe Gasgehalte nicht z.B. durch „Cascading“ o.ä. erst gar nicht auftreten, ist sicherlich wesentlicher Bestand- teil der Vermeidung der negativen Auswirkungen des Gasgehalts von Streichfarben. Dies kann durch eine sorgfältige Abstimmung der Streichfarbenkomponenten aufeinander unter- stützt werden, auch wenn in der Regel die Streichfarbenbestandteile vor allem unter dem Aspekt möglichst guter Produktqualität bei niedrigen Kosten ausgewählt werden, und der Gasgehalt eher einen „Nebenschauplatz“ darstellt. Relativ einfache Vermeidungsmaßnah- men in diesem Bereich, etwa durch Zufuhr von Farbe unterhalb des Füllstands, erwiesen sich als sehr effektiv und sollten in den Produktionsanlagen geprüft werden.
Die Reduzierung von bereits vorhandenen Gas- und Luftblasen wurden unter Verwendung chemischer und mechanischer Entgaser untersucht. Abb. 18 zeigt die Wirksamkeit von ver- schiedenen chemischen Entlüftern in Abhängigkeit von ihrer Dosiermenge. Der im Diagramm dargestellte Wert beschreibt die relative Reduzierung durch die Chemikalien bezogen auf den jeweiligen Startwert ohne Entlüftung [8]. Diese Abbildung verdeutlicht, ebenso wie die Ergebnisse in unseren Laboruntersuchungen, dass die richtige Auswahl der Entlüfterchemi- kalie zusammen mit der optimalen Dosiermenge zu sehr guten Entlüftungserfolgen führt.
Wirksamkeit chemische Entlüfter –
Ergebnisse aller durchgeführten Versuche
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40
Dosiermenge Entlüfter [%]
rel ati ve r Ga sg eh alt
Die optimale Dosierung des optimalen chemischen Entlüfters ist im Einzelfall zu ermitteln
Abb. 18 Wirksamkeit chemischer Entlüfter [8]
Allerdings kann sich der Gasgehalt durch die Zugabe ungeeigneter Entlüfter sogar erhöhen oder zu Qualitätsproblemen führen. Entscheidend für die durch mit chemischen Entlüftern erzielbare Gasgehaltsminderung sind vor allem die Abstimmung auf das Gesamtsystem wie auch die Einhaltung gegebener Anwendungshinweise. Diese Abstimmung auf das Gesamt- system erfordert in der Regel Laborversuche, die helfen, die wirksamsten Komponenten auszuwählen und richtig zu dosieren. Die exakte Dosiermenge muss dann durch Online- Messungen im Prozess vorgenommen werden.
Erfolgt die Einarbeitung der so bestimmten Chemikalie im Prozessablauf so früh wie möglich, dann sind bei vertretbarem Mengeneinsatz in der Regel geringe Gasgehalte erzielbar.
In Abb. 19 sind die erzielten Entgasungswirkungen der verwendeten Entgasungsmethoden gegenübergestellt. Aufbauend auf den Ergebnissen in [8] wurden die Entlüftungsergebnisse des Vakuumentgasers ergänzt.
Abb. 19 Wirksamkeit von Entgasungsmethoden
Die in den Versuchen verwendeten Streichfarben sind entweder nicht, chemisch, mecha- nisch mit einem Hydrozyklon-Entlüfter bzw. mit einem Vakuum-Entlüfter oder kombiniert chemisch und mechanisch entlüftet worden.
Auch Abb. 19 belegt, dass die Wirkung von chemischen Entlüftern sehr spezifisch auf das jeweilige System abzustimmen ist. Die Zugabe dieser Chemikalien in die Streichfarbe kann zu einer Reduzierung um 90 % bis zu einer Erhöhung des Gasgehalts führen. Es müssen sowohl Art als auch Dosierung des Entlüfters für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden. Nur wenn dies erfolgt, sind sehr gute Entlüftungsergebnisse möglich.
Eine mechanische Entlüftung mit einem Hydrozyklon kann den Gasgehalt um bis zu 70 % reduzieren. Die geeignete Einstellung der Betriebsbedingungen richtet sich vor allem nach dem Zielwert, also bis zu welchem Gasgehalt entlüftet werden muss.
Der Vakuumentlüfter ist weit wirksamer und kann bei richtigem Betrieb den Gasgehalt so re- duzieren, dass freies Gas nicht mehr messbar ist. Ein Vakuumentgaser hat seinen Einsatz- bereich eher dort, wo geringste Gasgehalte für ein defektfreies Strichbild vorausgesetzt wer- den müssen, also v.a. bei der Direktdosierung mittels Curtain Coater.
Der Einsatz geeigneter chemischer Entlüfter führt zur Koaleszenz kleiner Blasen. Die entste- henden „großen“ Blasen lassen sich dann im Zyklon besser abscheiden. Die Wirkung beider mechanischer Entlüfter kann durch den Einsatz geringer Mengen chemischer Entlüfter be- deutend erhöht werden. Welche Methode im Einzelfall die günstigsten Ergebnisse liefert, hängt in hohem Maße von den gegebenen Randbedingungen ab. Manche Systeme erlauben z.B. aus Qualitätsgründen keinen Einsatz von Entlüfterchemikalien. In anderen Fällen wird durch ihren ausschließlichen Einsatz die Streichfarbe am effizientesten entlüftet.
Die für ein System aus technologischer und wirtschaftlicher Sicht am besten geeignete Ent- lüftungsmethode muss in den meisten Fällen experimentell ermittelt werden. Ein optimaler Betrieb von Entgasungsanlagen, deren Wirkungsweise auf der Abtrennung von Blasen be- ruht, hängt stark mit der Blasengrößenverteilung in der Streichfarbe zusammen, die momen- tan nur unzureichend bestimmt werden kann. Hier sollten weitere Arbeiten ansetzen, da es in der Regel auch nicht der Gasgehalt ist, der Prozesse stören kann, sondern es sind Gasbla- sen, deren Effekt von ihrer Größe bzw. Größenverteilung abhängt.
0 20 40 60 80 100 120 140
chemisch Hydrozyklon chemisch + Hydrozyklon
Vakuum- Entgaser
chemisch + vakuum
Gasgehalt [Vol %]
Es gibt aber auch noch weitere Gründe für den Einsatz mechanischer oder chemischer Ent- gaser beim Streichen. Gasblasen, die sich bezüglich ihres Einflusses auf die Rheologie der Streichfarbe wie Partikel verhalten können, führen in der Regel zu einer Viskositätserhöhung der Farbe. Dies kann bedeuten, dass bei steigendem Gasgehalt der Feststoffgehalt der Streichfarbe verringert werden muss, um die Viskosität konstant zu halten. Eine Verringe- rung des Feststoffgehalts hat aber Auswirkungen, die sowohl den Anlagenbetrieb (Energie- bedarf) als auch die erzielbare Qualität betreffen können. Gerade Glanz und Glätte sind Ei- genschaften, die bei vielen gängigen Streichfarbenrezepturen, v.a. wenn sie auf hohen Anteilen an CaCO3 im Strich basieren, oft nur bei besonders hohem Feststoffgehalt der Streichfarbe erreichbar sind.
Danksagung
Das Forschungsvorhaben AiF 12713 wurde durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller For- schungsvereinigungen e.V. (AiF), Köln, mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit gefördert. Dafür sei an dieser Stelle gedankt.
Literatur
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Analyse des Gasgehaltes von Streichfarben und Entwicklung von Methoden zu des- sen Verminderung
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Dynamic JetFlow F - die Lösung für anspruchsvolle Aufgabenstellungen beim Strei- chen
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Jet-Auftragseinrichtung - Konzept, Funktion und Einsatz für das Streichen von Fein- papier
Wochenblatt für Papierfabrikation 112, pp 351 – 352, nº 10 (1984) [4] M. TREFZ und H. HESS
Mill Experience with Advanced Type of Free-Jet Coating Applicator Vortrag auf der Tappi Coating Conference 1997 in Philadelphia [5] I. ROITTO, T. JÄRVENSIVU und J. KOSKINEN
Bedeutung der Entlüftung beim Streichen
Wochenblatt für Papierfabrikation 125, pp 1091 – 1097, nº 22 (1997) [6] K.J. BYRON
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Critical reports on applied chemistry 30 (1990), pp. 133 - 161[20]
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Technische Universität München, Wintersemester 1992/1993 [8] RAUCH R., KRÖBER M., SANGL R.
Highlights aus der Arbeit des PTS-FuE-Forums "Gasgehalt/Entgasung von Streich- farben"
Wochenblatt für Papierfabrikation 130;2002;13;(924-931) [9] MENDEZ B.;MORITA H.
Curtain-Coating (Florstreichen) - ein neuartiges Auftragsverfahren zum Streichen mit höchster Präzision
Wochenblatt für Papierfabrikation 129;2001;22;(1492-1497) [10] URSCHELER R.
Evaluation of air removal methods in coating colors
In: TAPPI Coating Conference. Conference 05.02.-05.05.1999; Toronto; Canada.
TAPPI; Atlanta(Hrsg.); Atlanta: TAPPI Press 1999. S. 351 – 356
