Einleitung
Der digitale Tintenstrahldruck hat die Dekoration von Keramikfliesen revolutioniert und bietet hohe Gestaltungsflexibilität bei gleichzeitig effizienter und reproduzierbarer Produktion. Gleichzeitig stellt diese Technologie hohe Anforderungen an Keramiktinten. Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung, Rheologie, Stabilität und Farbstärke beeinflussen die Leistungsfähigkeit der Tinte und letztlich die Qualität des Druckprozesses.
Die Aufbereitung keramischer Pigmente spielt daher eine entscheidende Rolle. Die Herausforderung besteht nicht nur darin, sehr kleine Partikel zu erzielen, sondern eine geeignete und kontrollierte Partikelgrößenverteilung zu erzeugen und dabei die funktionellen Eigenschaften des Pigments zu erhalten.
NETZSCH begegnet dieser Herausforderung durch die Kombination von ultrafeiner Trockenmahlung mit anschließender Nassmahlung. Die s-Jet®-Dampfstrahlmühle bereitet das Keramikpigment für den nachgelagerten Nassprozess vor, während die Zirkulationsmühle Zeta® die abschließende Feinmahlung und Dispersion übernimmt. Indem beide Technologien als Teil eines integrierten Prozesses betrachtet werden, lassen sich die Mahlleistung und die Eigenschaften der fertigen Tinte gleichzeitig optimieren.
Die Herausforderung des Mahlens im Submikronbereich
Die Herstellung von Keramiktinten für den Digitaldruck erfordert Pigmente im Submikronbereich. Durch Nassmahlen mit kleinen Mahlkörpern lässt sich die erforderliche Feinheit erreichen, doch mit zunehmender Feinheit der Partikel sind immer längere Mahlzeiten erforderlich.
Intensives Nassmahlen kann zudem den Anteil sehr feiner Partikel im Produkt erhöhen. Ein übermäßiger Anteil an ultrafeinen Partikeln kann wichtige Eigenschaften wie Rheologie, Pigmentreaktivität und Farbeigenschaften beeinflussen.
Das Ziel besteht daher darin, die erforderliche Endpartikelgröße effizient zu erreichen und gleichzeitig eine enge und kontrollierte Partikelgrößenverteilung beizubehalten.
Ultrafeines Trockenmahlen mit der s-Jet®
Die Dampfstrahlmühle s-Jet® erweitert den Betriebsbereich herkömmlicher Fließbettstrahlmühlen bis in den Submikronbereich. Anstelle von Druckluft verwendet das System überhitzten Dampf als Mahlgas.
Die deutlich höhere Strahlgeschwindigkeit des Dampfes liefert die für die ultrafeine Zerkleinerung erforderliche Energie. In Kombination mit einer integrierten Klassierung lassen sich Keramikpigmente mit einer sehr feinen und engen Partikelgrößenverteilung herstellen.
Für keramische Tintenstrahlanwendungen wurden Partikelgrößen von etwa d50 = 0,45 µm und d99 < 1,2 µm erreicht. Je nach Ausgangsmaterial und Betriebsbedingungen sind Werte von d97 < 1,2 µm möglich.
Durch den Einsatz von hochdruckbeaufschlagtem überhitztem Dampf bei etwa 40 bar und 250 bis 350 °C kann das Pigment bereits vor dem Eintritt in den Nassmahlprozess nahe an die erforderliche Endfeinheit herangeführt werden.
Abschließendes Nassmahlen mit dem System Zeta®
Nach dem Trockenmahlen wird das Pigment in der Nassmahlstufe dispergiert und bis zur endgültigen Spezifikation aufbereitet.
Die Zirkulationsmühle Zeta® ist für den Zirkulationsbetrieb ausgelegt und bietet eine hohe Energiezufuhr in Verbindung mit einer präzisen Prozesssteuerung. Das Mahlsystem ermöglicht enge und reproduzierbare Partikelgrößenverteilungen bei gleichzeitig hoher Produktivität.
Für die Herstellung von keramischen Inkjet-Tinten ist dies besonders wichtig, da sich die Aufgabe der Nassmahlstufe ändert, wenn ein mit s-Jet® vorbehandeltes Pigment verwendet wird. Anstatt den Großteil der Partikelgrößenreduktion zu übernehmen, kann sich die Nassmühle darauf konzentrieren, die endgültig erforderliche Partikelgrößenverteilung und Dispersionsqualität zu erreichen.
Die Zeta®-Technologie bietet zudem einen skalierbaren Ansatz von der Laborentwicklung bis zur Produktion. Die Anlagenpalette reicht von der Labormühle LabStar bis hin zu Produktionssystemen wie der Zeta® 400.
Integriertes Trocken- und Nassmahlverfahren
Der Hauptvorteil ergibt sich daraus, dass Trocken- und Nassmahlen als ein einziger Prozess und nicht als zwei unabhängige Produktionsschritte betrachtet werden.
Die s-Jet® erzeugt bereits vor Beginn des Nassmahlens ein ultrafeines Pigment mit einer engen Partikelgrößenverteilung. Folglich muss in der Zirkulationsmühle deutlich weniger Partikelgrößenreduktion durchgeführt werden.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass sich die erforderliche Nassmahlzeit um bis zu 50 % reduzieren lässt, wenn mit der s-Jet® vorbehandelte Pigmente verwendet werden.
Diese Verkürzung der Nassmahlzeit bietet mehrere Vorteile. Neben der Steigerung der effektiven Kapazität der Nassmahlanlagen können kürzere Verarbeitungszeiten die Bildung unerwünschter ultrafeiner Partikel verringern.
Der daraus resultierende Prozess konzentriert sich daher nicht nur auf das Erreichen einer Zielpartikelgröße, sondern auch auf die Steuerung der gesamten Partikelgrößenverteilung.
Partikelgrößenverteilung und Tinteneigenschaften
Die Partikelgrößenverteilung ist bei keramischen Tintenstrahlanwendungen von besonderer Bedeutung, da sie verschiedene Eigenschaften der fertigen Tinte beeinflussen kann.
Eine kontrollierte Verteilung trägt zu folgenden Aspekten bei:
- stabiles rheologisches Verhalten
- gute Filterbarkeit
- kontrollierte Pigmentreaktivität
- konsistente Farbeigenschaften
- zuverlässige Weiterverarbeitung
Die Kombination aus ultrafeinem Trockenmahlen und kürzerem Nassmahlen kann zudem die Menge an extrem feinen Pigmentpartikeln reduzieren, die bei längerem Mahlprozess mit Kugeln entstehen.
Prozess Erfahrungen mit gelben und rotbraunen Keramikpigmenten haben gezeigt, dass sich die resultierende Partikelgrößenverteilung positiv auf die Farbstärke auswirken kann.
Anstatt die Intensität eines einzelnen Mahlschritts zu maximieren, verteilt das kombinierte Verfahren die erforderliche Partikelgrößenreduktion auf zwei sich ergänzende Technologien.
Höhere Effizienz bei der Herstellung von Keramik-Tintenstrahlprodukten
Das integrierte Prozesskonzept bietet Vorteile sowohl für die Produktqualität als auch für die Produktionseffizienz.
Bis zu 50 % kürzere Nassmahlzeit
Höhere Nassmahlkapazität
Geringere Bildung ultrafeiner Partikel
Kontrollierte Partikelgrößenverteilung
Optimierte Farbdarstellung
Skalierung vom Labor zur Produktion
Von der Pigmentaufbereitung bis zur fertigen Tinte
Die Herstellung von keramischer Tintenstrahltinte umfasst mehr als nur eine einzelne Mahlmaschine. Trockenmahlen, Mischen und Dispergieren, Nassmahlen sowie die Prozesssteuerung tragen alle zu den Eigenschaften des Endprodukts bei.
Durch die Kombination dieser Prozessschritte kann NETZSCH die gesamte Produktionskette vom keramischen Pigment bis zur fertigen Tinte bewerten. Anhand von Laborversuchen lassen sich geeignete Betriebsparameter, Partikelgrößenverteilungen und Mahlbedingungen ermitteln, bevor der Prozess auf den Produktionsmaßstab übertragen wird.
Dieser integrierte Ansatz ermöglicht es, die einzelnen Prozessschritte aufeinander abzustimmen, anstatt jede Maschine unabhängig voneinander zu optimieren.
Fazit
Bei der effizienten Herstellung von keramischen Tintenstrahltinten geht es nicht nur darum, eine möglichst kleine Partikelgröße zu erreichen. Entscheidend ist vielmehr, wie die erforderliche Partikelgrößenverteilung erzielt wird.
Durch die Kombination von ultrafeinem Trockenmahlen mit der Dampfstrahlmühle s-Jet® und kontrolliertem Nassmahlen mit dem Zeta®-System wird die Partikelzerkleinerung intelligent über den gesamten Produktionsprozess verteilt.
Die s-Jet® bereitet ein feines, eng verteiltes Pigment vor, bevor das Nassmahlen beginnt. Das Zeta®-System kann sich dann darauf konzentrieren, die erforderliche Endfeinheit und Dispersionsqualität zu erreichen. Dadurch lässt sich die erforderliche Nassmahlzeit um bis zu 50 % reduzieren, während gleichzeitig die Bildung unerwünschter ultrafeiner Partikel begrenzt wird.
Das Ergebnis ist ein integrierter Prozess, der hohe Produktivität, kontrollierte Partikelgrößenverteilung und optimierte Eigenschaften der Keramik-Tintenstrahltinte vereint.