Der Dispergierprozess

Drei Teilchenbegriffe nach DIN EN ISO 18451-1

• Primärteilchen sind die bei der Pigmentherstellung entstehenden kleinsten Teilchen — bei den meisten anorganischen und organischen Pigmenten Einzelkristalle, bei Ruß dagegen kleine, nicht-kristalline Kohlenstoffpartikel.
• Aggregate sind stärker gebundene bzw. flächig verwachsene Primärteilchen; ob und in welchem Umfang sie unter einem konkreten Dispergierprozess aufgeschlossen werden, hängt von der Beanspruchung ab.
• Agglomerate sind Zusammenlagerungen von Primärteilchen oder Aggregaten über Ecken und Kanten. Sie lassen sich im Dispergierprozess typischerweise aufschließen; der erreichbare Aufschlussgrad hängt von Struktur und mechanischer Beanspruchung ab.

Zweck und Grenzen

Zweck des Dispergierprozesses ist es, die Agglomerate voneinander zu trennen. Im Idealfall erhält man eine Dispersion aus Primärteilchen und Aggregaten. In der Praxis kommt es häufig nur zum Zerteilen großer Agglomerate in kleinere.

Die drei Schritte

• Benetzen der Pigmentagglomerate
• Zerteilen der Pigmentagglomerate
• Stabilisieren der erhaltenen Dispersion gegen Flockulation

Benetzen läuft zweistufig ab

Zuerst breitet sich die flüssige Phase auf der Agglomeratoberfläche aus, dann dringt sie in die Poren und Hohlräume des Agglomerats ein und verdrängt dabei Luft. Thermodynamische Voraussetzung für ein spontanes, kapillares Eindringen ist ein Randwinkel unter 90 Grad, am besten null (Spreitung). Sie sagt aber nur, OB die Benetzung überhaupt freiwillig abläuft — ob der Filmbildner das Pigment benetzen „will“. Wie SCHNELL das geschieht, sagt die Thermodynamik nicht; das ist eine Frage der Kinetik. Und in der Praxis zählt gerade die Geschwindigkeit: Beim Dispergieren steht nur begrenzt Zeit zur Verfügung, das Eindringen in feine Kapillarporen kann aber langsam sein.

Vier Folgerungen für die Praxis

• Grobteilige Pigmente werden meist schneller benetzt als feinteilige, weil ihre Kapillarporen weiter sind; entscheidend sind daneben Porenstruktur, Benetzbarkeit und Viskosität.
• Je niedriger die Viskosität der flüssigen Phase, desto schneller die Benetzung. Die Viskosität sinkt mit steigender Temperatur.
• Je größer die Agglomerate und damit je länger die Poren, desto langsamer die Benetzung.
• Triebkraft des Eindringens ist das Produkt γ · cos θ: Entscheidend sind ein kleiner Randwinkel und eine günstige Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Pigment — nicht eine möglichst hohe Oberflächenspannung allein.

Diese vier Aussagen beschreiben, wie rasch eine Flüssigkeit in die feinen Kapillaren zwischen den Pigmentteilchen eindringt. Für die Praxis heißt das: Eine mäßig erhöhte Ansatztemperatur senkt die Viskosität und beschleunigt die Benetzung; wo der Randwinkel trotzdem zu groß bleibt, wählt der Lacklaborant ein wirksameres oder zusätzliches Netzmittel, statt einfach länger zu rühren.

Wie dicht die Agglomerate gepackt sind

Agglomerate unterscheiden sich nicht nur in der Größe, sondern auch darin, wie dicht die Primärteilchen gepackt sind — und damit, wie eng und klein die Poren dazwischen sind. Lockere, weiche Agglomerate mit weiten Poren werden schnell benetzt und lassen sich leicht zerteilen. Dichte, harte Agglomerate mit engen Poren nehmen die flüssige Phase nur langsam auf und brauchen zum Zerteilen deutlich mehr Scherenergie. Wie dicht ein Pigment agglomeriert vorliegt, hängt von Herstellung und Trocknung ab; Hersteller bieten deshalb „leicht dispergierbare“ Typen mit lockerer Struktur oder Oberflächenbehandlung an. Für den Prozess heißt das: Bei dichten, harten Agglomeraten sind längere Benetzungszeit (Einsumpfen) und höherer Energieeintrag nötig.

Vier Beanspruchungsmechanismen

• Scherung im fluiden Medium — das Strömungsgefälle in der zähen Paste reißt die Agglomerate auseinander (Dissolver).
• Scherung und Reibung zwischen zwei Flächen — Zerreiben im engen Spalt (Dreiwalze; zwischen den Mahlperlen der Kugelmühle).
• Prallbeanspruchung — Mahlkörper und Teilchen stoßen zusammen (Perlmühle).
• Druck- und Quetschbeanspruchung — Zusammendrücken im engen Spalt (Kneter, Walze).

Feinheit und Wärme

Je höher die im Medium erzeugte Scherbeanspruchung, desto feiner die erreichbare Verteilung. Ein großer Teil der zugeführten mechanischen Leistung wird in Wärme umgesetzt — deshalb muss meist gekühlt werden (beim Dissolver steigt die Paste sonst leicht über 60 °C). Das ist mehr als ein Komfortproblem: Lösemittel — bei wässrigen Systemen auch Wasser — verdunsten dann schneller und die Paste konzentriert sich unkontrolliert auf, hitzeempfindliche Additive wie manche Biozide oder Verlaufsmittel können sich zersetzen, und bei brennbaren lösemittelhaltigen Ansätzen rückt die Temperatur näher an den Flammpunkt heran.

Die wichtigsten Dispergiergeräte

• Dissolver (Zahnscheibenrührer) — Scherung im fluiden Medium; Standardgerät für mittlere Feinheit und zum Vordispergieren.
• Rührwerks-Kugelmühle / Perlmühle — Scherung und Prall zwischen kleinen Mahlperlen; für hohe Feinheit bei eher niedriger Viskosität.
• Dreiwalze — Scherung zwischen drei unterschiedlich schnellen Walzen; für hochviskose Pasten (Druckfarben, Abtönpasten).
• Kneter und Extruder — Druck und Scherung bei sehr hoher Viskosität (u. a. Dispergieren der Pulverlack-Schmelze, siehe L-97).
• Rotor-Stator-Maschine — hohe Scherung im engen Spalt; für leicht dispergierbare Systeme.

Der Dissolver — das Standardgerät

Am häufigsten dispergiert der Lacklaborant mit dem Dissolver: Eine gezahnte Scheibe läuft mit hoher Umfangsgeschwindigkeit (etwa 10 bis 25 m/s) in der Paste. Der Dissolver erreicht nicht die höchste Feinheit, ist aber schnell und robust; viele matte Innendispersionsfarben lassen sich allein damit herstellen, feinere Produkte laufen anschließend über die Perlmühle.

Das Doughnut-Strömungsbild beim Dissolver — das Ziel, nicht der Fehler

Beim Dissolver stellt sich, wenn Geometrie und Viskosität stimmen, im Behälter ein torusförmiger Umlauf ein: Die Zahnscheibe schleudert das Mahlgut nach außen, an der Behälterwand steigt es hoch, in der Mitte fließt es wieder nach unten und läuft erneut in die Scherzone. Weil der umlaufende Ring dabei aussieht wie ein Krapfen mit Loch, heißt dieses Bild Doughnut-Effekt. Es ist das erwünschte Bild und gilt als Zeichen richtig eingestellter Dispergierbedingungen — nur so läuft die ganze Paste immer wieder durch die wirksame Zone. Als Anhalt für die Geometrie: Scheibendurchmesser rund ein Drittel des Behälterdurchmessers, Scheibe etwa einen Scheibendurchmesser über dem Boden, Füllhöhe ungefähr das Ein- bis Zweifache davon.

Wenn der Doughnut ausbleibt

Auch das gilt speziell für den Dissolver — andere Dispergiergeräte ohne Zahnscheibe kennen dieses Strömungsbild nicht:

• Zu dünn eingestellt: Die Scheibe dreht fast frei durch, es bildet sich ein tiefer Trichter bis hinunter zur Scheibe, und über ihn wird Luft eingeschlagen. Die Scherkräfte kommen nicht ins Mahlgut.
• Zu dick eingestellt: Nur ein Bereich unmittelbar an der Scheibe bewegt sich, der Rest steht. Dort wird es örtlich heiß, und die stehende Masse wird nie dispergiert.
• Geometrie unpassend: zu kleine Scheibe, zu hohe Füllung, Scheibe zu dicht am Boden oder zu nah an der Oberfläche — dann kommt kein Umlauf zustande.

Daraus folgt die wichtigste Betriebsregel: Wird die Feinheit trotz hoher Drehzahl nicht besser, erst das Strömungsbild in Ordnung bringen — Viskosität, Füllhöhe, Scheibenhöhe und Scheibendurchmesser. Weiter Drehzahl geben bringt vor allem Wärme.

Dispergiert wird die Mahlpaste, nicht der fertige Lack

Angesetzt wird zunächst eine konzentrierte Mahlpaste (auch Mahlgut oder Mahlansatz) aus Pigment, einem Teil des Bindemittels, Lösemittel bzw. Wasser und dem Netz- und Dispergiermittel. Dosiert wird das Dispergiermittel dabei bezogen auf die Pigmentmasse, nicht auf den Gesamtansatz — die Bedarfsangaben der Hersteller beziehen sich auf das Pigment. (Anders die Polyphosphat-Richtwerte in L-52: Dort sind 0,2 bis 0,5 % auf den gesamten Lack bezogen.) Das hat drei Gründe: Die höhere Viskosität überträgt die Scherkräfte besser, und pro Durchgang wird mehr Pigment aufgeschlossen — das ist wirtschaftlicher. Dazu kommt ein Adsorptionsgrund: Das Dispergiermittel soll die frisch entstandene Pigmentoberfläche zuerst und möglichst vollständig belegen, bevor zusätzliches Bindemittel — falls es selbst polare oder ionische Gruppen trägt — um dieselben Adsorptionsplätze konkurriert (siehe L-51). Die Grenze setzt die Zirkulation: Wird die Paste zu dick, bleibt das Strömungsbild aus. Die richtige Pigmentkonzentration lässt sich deshalb nicht an der Prozentzahl ablesen, sondern wird für Pigment, Bindemittel und Gerät im Versuch ermittelt. Erst nach dem Dispergieren wird mit dem restlichen Bindemittel und den übrigen Additiven aufgelackt (Let-down, siehe L-60).

Passagen- oder Zirkulationsverfahren

Bei Mühlen unterscheidet man, wie das Mahlgut durchläuft. Im Passagenverfahren läuft es ein- oder mehrmals durch die Mühle; im Zirkulationsverfahren immer wieder aus einem Vorlagebehälter im Kreis. Die Zirkulation liefert eine engere Verweilzeitverteilung — jedes Teilchen wird ähnlich oft beansprucht — und damit eine gleichmäßigere Feinheit.

Wie weit ist die Dispergierung? Der Grindometer

Der Fortschritt wird am Grindometer gemessen (Keilblock nach DIN EN ISO 1524): In eine keilförmig auslaufende Rille — üblich 0 bis 25, 0 bis 50 oder 0 bis 100 µm — wird Mahlgut gegeben und mit dem Schaber abgezogen. Abgelesen wird die Stelle, an der gehäuft Stippen erscheinen, nicht das erste Einzelkorn. Richtwerte: hochglänzende Decklacke und Automobil-Basislacke unter 10 µm, Füller und Grundierungen 20 bis 40 µm, matte Innendispersionsfarben auch 50 µm und mehr. Trägt man den Grindometerwert über der Dispergierzeit auf, flacht die Kurve ab — ab dort bringt weiteres Dispergieren vor allem Wärme. Als zweite Verlaufsgröße eignet sich zum Beispiel die Farbstärke: Sie steigt oft noch, wenn der Grindometerwert längst steht. Bei transparenten Pigmentsystemen lässt sich stattdessen oder zusätzlich die Transparenz verfolgen, die mit fortschreitender Zerteilung ebenfalls noch zunimmt.

Was REM- und TEM-Aufnahmen zeigen

Der Grindometer findet nur die gröbsten Reste. Ob tatsächlich Primärteilchen und Aggregate vorliegen, zeigt erst die Elektronenmikroskopie: Das Rasterelektronenmikroskop (REM) bildet die Oberfläche ab und macht Agglomerate und ihre Struktur sichtbar, das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) durchstrahlt die Probe und lässt einzelne Primärteilchen erkennen. Größenordnungen zum Vergleich: Titandioxid-Primärteilchen etwa 200 bis 300 nm, Ruß 10 bis 100 nm, pyrogene Kieselsäure 7 bis 40 nm — alles weit unterhalb dessen, was ein Grindometer auflöst.

Organische Pigmente dispergieren — was anders ist

Organische Pigmente verhalten sich beim Dispergieren anders als anorganische, und zwar aus drei Gründen, die alle in derselben Richtung wirken.

Erstens die spezifische Oberfläche: Sie liegt deutlich höher als bei den meisten anorganischen Pigmenten. Damit steigen der Bedarf an Netz- und Dispergiermittel (siehe L-52) und die Viskosität der Mahlpaste — der mögliche Pigmentgehalt im Mahlgut ist entsprechend niedriger.

Zweitens die Dichte: Organische Pigmente sind deutlich leichter als etwa Titandioxid oder Eisenoxid. Bei gleicher Einwaage nehmen sie ein Vielfaches an Volumen ein. Weil die PVK eine Volumengröße ist (siehe L-39), verschiebt sich die Rezeptur schneller, als es die Prozentzahl der Masse vermuten lässt — gerechnet wird über die Dichte, nicht über die Waage allein.

Drittens der Energiebedarf: Feinteilige organische Pigmente bilden festere Agglomerate. Der Dissolver allein reicht meist nicht; für die geforderte Feinheit folgt die Perlmühle.

Der Endpunkt lässt sich am Grindometer nicht ablesen; bei organischen Pigmenten ist die Farbstärke die aussagekräftigere Verlaufsgröße, bei transparenten Typen zusätzlich die Transparenz (siehe oben).

Zugleich gibt es ein Zuviel. Zu langes Dispergieren bringt vor allem Wärme, und Wärme in Verbindung mit dem Lösemittel begünstigt Kristallwachstum und Umwandlung der Kristallmodifikation (siehe L-42). Farbton und Farbstärke können dadurch wieder abfallen. Temperaturführung und Kühlung gehören beim Dispergieren organischer Pigmente deshalb zur Rezeptur, nicht zum Komfort.

Und schließlich neigen organische Pigmente stärker zur Flockulation als oxidische, weil ihre Oberflächenladung schwächer ausgeprägt ist (siehe L-50). Stabilisiert wird überwiegend sterisch mit polymeren, pigmentaffinen Dispergiermitteln (siehe L-51). Ob es gelungen ist, zeigt in Mischtönen der Rub-out-Test: Wird die aufgezogene Fläche beim Verreiben mit dem Finger farbstärker oder farbtonverschieden, liegt Flockulation vor.

Warum feinteilige Pigmente Zeit brauchen

Warum das so ist — die Physik dahinter (Vertiefung)

Zwei Kniffe aus dem Labor

• Daniel'sche Regel (empirische Praxisregel): „Im schlechten Löser treiben und mit dem guten Löser aufziehen.“ In einem schlechteren Lösemittel sind die Bindemittelmoleküle stärker geknäult, die Lösungsviskosität ist niedriger — und das beschleunigt die Benetzung.
• Verlängerte Vormisch- und Benetzungszeit (ggf. Einsumpfen): Lässt man das Mahlgut länger — teils über Nacht — vormischen bzw. stehen, dringt die Bindemittellösung tiefer in die Hohlräume der Agglomerate ein.