Einleitung
Indien und China sind und bleiben die Wachstumsmotoren der globalen Pigmentindustrie. Zu diesem Schluss kommt eine Studie der Marktforschungsabteilung von JM Financial aus dem Jahr 2020. Indien steigert zudem die Binnennachfrage und das Exportvolumen erheblich. Angesichts einer für die nächsten fünf Jahre prognostizierten BIP-Wachstumsrate von 11 % konzentrieren sich die Hersteller darauf, die Erwartungen der Endverbraucher zu erfüllen, die sich ständig an den Modetrends orientieren. Darüber hinaus wird ihre Herausforderung durch das kritische Fließverhalten ihrer Pulver während des gesamten Produktionsprozesses noch verstärkt. An dieser Stelle möchten wir eine Reihe von Mahlverfahren vorstellen, die geeignete und kostengünstige Lösungen für die Feinmahlung einer Vielzahl von in der Industrie verwendeten Trockenpigmenten bieten.
Warum das Mahlen eine wichtige Rolle für die Qualität von Pigmenten spielt:
Pigmente kommen in vielen Anwendungen zum Einsatz. Sie werden zum Einfärben anderer Materialien wie Farbe, Tinte, Kunststoff, Textilien, Kosmetika und sogar Lebensmitteln verwendet. Einerseits gibt es trockene, unlösliche Pigmente, andererseits Farbstoffe in Form einer flüssigen oder löslichen Verbindung. Aufgrund ihrer trockenen Form werden die Intensität und Färbekraft von Pigmenten stark von der Feinheit und Form ihrer Partikel beeinflusst. Eine effizientere Vermahlung kann daher zu intensiveren Pigmenten führen, indem die Dispersion des Pigments im gefärbten Material verbessert wird. Darüber hinaus verleihen die spezifische Größe und Form der Partikel der Oberfläche ein bestimmtes Aussehen. Die Absorption und Brechung des Lichts werden verändert, was sich wiederum auf die Färbung auswirkt.
Kriterien, die bei der Auswahl der Schleiftechnologie berücksichtigt werden müssen:
Wie bereits erwähnt, gibt es eine Vielzahl von Pigmenten mit sehr unterschiedlicher Herkunft. Die ältesten sind natürliche Pigmente wie natürliches Ultramarin aus Mineralien und Karmin aus Insekten. Heute sind die meisten verwendeten Pigmente synthetischen Ursprungs. Beispiele für organische Pigmente sind Phthalocyanin oder Chinacridon, Beispiele für anorganische Pigmente sind Chromoxid oder Eisenoxid.
Je nach Herkunft ist es offensichtlich, dass jedes dieser Pigmente das Ergebnis eines bestimmten Prozesses mit spezifischen Produktionsschritten wie Reinigung, Synthese, Oxidation, Kalzinierung, Ausfällung usw. ist. Um den anschließend durchzuführenden Mahlvorgang zu definieren, müssen wir daher immer das Verhalten und die Eigenschaften des aus diesem Prozess resultierenden Produkts berücksichtigen. Eine Möglichkeit besteht darin, dass das Pigment bereits sehr feine Elementarteilchen aufweist und als einziger nachfolgender Prozess eine Entagglomeration erforderlich ist. In diesem Fall sollte die zu verwendende Mahltechnik keine hohe Aufprallgeschwindigkeit beinhalten. Das Gegenteil ist auch bei Pigmenten für Emaille der Fall. Diese Materialien können eine Härte von bis zu 9 Mohs aufweisen und es kann nur Strahlmahlen verwendet werden.
Aus all diesen Gründen muss man die Eigenschaften des Pigments kennen, bevor man die am besten geeignete Mahltechnik auswählen kann.
Condux® mechanische Feinprallmühlen
Rotationsprallmühlen werden zum Feinmahlen von weichen und mittelharten Materialien eingesetzt. Der typische Feinheitsbereich für die mittlere Korngröße liegt zwischen 20 und 500 µm. Es werden Umfangsgeschwindigkeiten zwischen 25 und 150 m/s erreicht. Eine Ausführung kann auch im Gegenlaufbetrieb mit bis zu 250 m/s angeboten werden. Der vom Rotortyp abhängige Luftstrom sorgt für eine temperaturstabile Mahlung.
Der Rotor ist auf einer horizontalen Fliehkraftwellenanordnung montiert. Die Abdichtung der Welle basiert aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeiten an der Welle auf berührungslosen Labyrinthen. Das Produkt wird zentral durch die Tür zugeführt und verlässt die Maschine mit der Luft, die gleichzeitig Transport- und Kühlaufgaben übernimmt.
Die Eigenschaften dieser Mühlen eignen sich perfekt für Pigmente, die beispielsweise nach einem Trocknungsschritt entagglomeriert werden müssen. Darüber hinaus ermöglicht der einfache Zugang nach dem Öffnen der Fronttür eine schnelle Reinigung beim Farbwechsel. Dank der großen Auswahl an Mahlwerkzeugen, die in Condux®-Mühlen montiert werden können, lassen sich verschiedene Produkte verarbeiten und unterschiedliche Feinheiten erzielen.
Tabelle 1: Referenzdaten zur Condux® 300
| Produkt | Feinheit [µm] | Feinheit [µm] | Kapazität [kg/h] |
| Ultramarinblau | d50 = 1.85 | d99 = 3.1 | ca. 200(*) |
| Tartrazinrot | d50 = 9.4 | d99 = 23 | ca. 89(*) |
| Organisches Pigmentblau | 24% > 63 | 2% > 250 | 600 |
| Pigmentpräparationsbasis PVB | d50 = 99 | d90 = 255 | 340 |
| Zinkoxid | d50 = 6.4 | d90 = 14 | 1490 |
(*) Gegenläufiges Design der Stiftscheibe
ConJet® Dichtbettstrahlmühle
ConJet®-Mühlen sind Spiralstrahlmühlen, die mit einem dynamischen Sichterrad ausgestattet sind, das ein hochdichtes Materialbett in der Mahlkammer erzeugt. Sie werden zur Zerkleinerung von weichen bis härtesten Materialien eingesetzt. Das Mahlgas wird über den ringförmigen Mahlgasverteiler zugeführt. Das Gas tritt durch Düsen in die Mahlkammer ein, dehnt sich aus und bildet Strahlen mit hoher Geschwindigkeit. Das zu mahlende Material gelangt mittels eines Injektors oder gravimetrisch über ein Ventil tangential durch eine kurze Zuführleitung in die Mahlkammer, wird vom Gasstrahl erfasst, beschleunigt und durch Partikel-Partikel-Stöße zerkleinert. Das expandierte Gas transportiert die gemahlenen Partikel zum Sichterrad, das über einen regelbaren Motor angetrieben wird. Das den eingestellten Parametern entsprechende Feingut wird mit dem expandierten Gas aus der Mühle ausgetragen. Übergroße Partikel gelangen zur Nachmahlung zurück in den Strahlbereich.
Dieses Funktionsprinzip der ConJet® ist besonders gut für die Pigmentherstellung geeignet. Die hohe Aufprallgeschwindigkeit ermöglicht eine sehr feine Vermahlung, z. B. d99 = 5–7 µm bei der Mahlung mineralischer Pigmente. Die Sichtermühle kontrolliert die Partikelgrößenverteilung präzise, sie ist einstellbar, eng und frei von Überkorn. Zudem sorgt die über eine Schwenktür frei zugängliche Bauweise dafür, dass die Reinigung der ConJet® einfach und schnell durchgeführt werden kann.
Tabelle 2: Referenzdaten zur ConJet® 50
| Produkt | Feinheit d50 [µm] | Feinheit [µm] | Kapazität [kg/h] |
| Organisches Pigment Gelb | 1.5 | d99 = 6.6 | ca. 134 |
| Organisches Pigment Magenta | 3.2 | d99 = 9.8 | 81 |
| Organisches Pigment Rot | 1.5 | d99 = 5.5 | 193 |
| Organisches Pigment Fluoreszierend | 3.3 | d99 = 9.1 | 104 |
| Synthetisches Eisenoxid | 0.94 | d99 = 5.9 | 92 |
| Titandioxid | 0.9 | d97 = 2.8 | 103 |
| Titandioxid | 2.2 | d97 = 6.5 | 243 |
s-Jet® Dampfstrahlmühle
Die s-Jet® ist ein Strahlmahlsystem, das die Vorteile des Trockenmahlens mit überhitztem Dampf nutzt. Es wird zum Feinstmahlen von weichen bis extrem harten Materialien in einem Fließbett eingesetzt. Durch den Einsatz eines in die Mühle integrierten Windsichters wird die maximale Partikelgröße begrenzt und es kann eine Feinheit im Submikronbereich erreicht werden.
Durch die Verwendung von überhitztem Dampf als Mahlmedium anstelle von Luft werden erhebliche Vorteile erzielt. Die im Vergleich zu Luft deutlich höhere Strahlenergie (Strahlgeschwindigkeiten von bis zu 1200 m/s sind möglich) erhöht den diskreten Energieeintrag, und die kinetische Aufprallenergie der Produktpartikel wird um das Vierfache erhöht. Dies ist der entscheidende Punkt, um Feinheiten im Submikronbereich zu erzielen. Da Dampf eine deutlich höhere Schallgeschwindigkeit als Luft hat, erhöht sich außerdem die mögliche Umfangsströmungsgeschwindigkeit innerhalb des Sichterrades und damit die Beschleunigungskräfte, die auf das zu klassifizierende Produkt einwirken.
Aufgrund der hohen Dampftemperatur von über 300 °C und aufgrund der Vergrößerung der Partikeloberfläche im Mahlprozess wird die in den Partikeln enthaltene Feuchtigkeit verdampft. Darüber hinaus bieten s-Jet®-Mühlen die Möglichkeit, die Pigmente zu trocknen oder zumindest den Trocknungsprozess abzuschließen. Auf diese Weise ermöglicht das s-Jet®-Verfahren die vollständige Nutzung der Energie aus Druck und Temperatur, indem gleichzeitig feinste Mahlgrade erzielt und Restfeuchtegehalte von nur 0,5 % erreicht werden.
Tabelle 3: Referenzdaten zur s-Jet® 500
| Produkt | Feinheit d50 [µm] | Feinheit d99 [µm] | Kapazität [kg/h] |
| Synthetisches Eisenoxid | 0.07 | 0.37 | 61 |
| Ruß | 0.6 | 3.6 | 28 |
| Ruß | 1.0 | 9.2 | 94 |
| Zinkoxid | 0.13 | 0.35 | 6.1 |
| Zinkoxid | 0.87 | 4.8 | 183 |
| Titandioxid | 0.13 | 0.34 | 191 |
| Keramische Pigmente | 0.6 | 1.95 | 26 |
| Keramische Pigmente | 0.9 | 4.6 | 102 |
Staubexplosionsschutz
Wenn es sich bei dem zu mahlenden Produkt um ein organisches Pigment handelt, müssen die für Staubexplosionen geltenden charakteristischen Werte besonders beachtet werden. Dies betrifft vor allem die Mindestzündenergie, die Zündtemperatur und den Kst-Wert. Abhängig von diesen Daten und bei Überschreitung der Grenzwerte müssen geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden. Die erste Lösung ist eine druckstoßfeste Konstruktion der Anlage mit spezifischen Elementen wie Explosionsventilen und Berstscheiben. Eine zweite Lösung besteht darin, unter Inertgas zu arbeiten und den Sauerstoffgehalt in der Anlage zuverlässig zu kontrollieren.
Fazit
Angesichts der Tatsache, dass eine Vielzahl von Pigmenten verfügbar ist und diese aufgrund der ersten Schritte in ihrem Herstellungsprozess unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, ist es wichtig, die am besten geeignete Mahltechnologie auszuwählen und zu optimieren. Mechanische Condux® Prallmühlen eignen sich gut für relativ grobes Mahlen und zur Desagglomeration. ConJet® Dichtbettstrahlmühlen können feinere Produkte mit einer optimal kontrollierten PSD liefern. Die s-Jet® Dampfstrahlmühlen erreichen ihre höchste Leistungsstufe in Bezug auf die Feinheit und bieten zusätzlich einen Trocknungseffekt. Durch den Einsatz der am besten geeigneten Technologie ist es möglich, Pigmente mit oft kritischen Fließeigenschaften zu verarbeiten und die gewünschte Feinheit und Qualität des Endprodukts zu erreichen. Diese Optimierung des Mahlprozesses erhöht auch den Wert des Produkts und spart Energie und andere Produktionskosten.