Projekt 35284/01

Oberflächenfunktionalisierung von Talkum während der energieeffizienten Mahlung in der Prallmühle

Projektträger

NobelMin GmbH
Bruderhalde 37 - 1
79856 Hinterzarten
Telefon: +49 7652 9198981

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklung eines energieeffizienten Mahlverfahrens zur Erzeugung von funktionalisiertem Talkum mit hohem Flächen-Kanten-Verhältnis (Aspect Ratio)“


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt wurde entsprechend den ursprünglichen Planungen in mehreren Etappen durchgeführt:

1. Anforderungsanalyse: Erstellung eines Pflichtenheftes anhand von Anforderungsprofilen bzw. Spezifikationen für die unterschiedlichen Produkteinsatzbereiche
2. Entwicklung und Charakterisierung der spezifischen Mahlanlagenparameter auf die Partikelgrößenverteilung und die Produkteigenschaften unter Produktionsbedingungen
3. Entwicklung und Erforschung des Zerkleinerungsprozesses durch Rohstoffauswahl, Formulierungen und chemische Additive auf Laborebene / Analytische Untersuchung und Bewertung der Versuchsprodukte
4. Entwicklung einer prototypischen Verfahrenstechnologie aus den Ergebnissen der Voruntersuchungen bzw. Produktionsversuche / Analytische Untersuchung und Bewertung der Testprodukte
5. Entwicklung eines Optimierungskonzeptes und Übertragung der Versuchsergebnisse in die Produktion
6. Durchführung von Testversuchen bei Kundenanwendungen und Verifizierung der Endproduktergebnisse
7. Redesign der Produktionsergebnisse und Evaluierung der Produkteigenschaften
8. Projektbegleitende Dokumentation/Abschlussbericht


Ergebnisse und Diskussion

Ausgehend von der Annahme, dass für eine Optimierung der Wechselwirkung von Füllstoff und Polymer systemabhängig unterschiedliche Oberflächenmodifikationen des Talkums erforderlich sind, ist die Grundvoraussetzung hierfür die Definition der Polymermatrix, in der der funktionalisierte Füllstoff eingesetzt werden soll. Die Anforderungen an die Produktqualität bei Talkum ist jedoch von den Anwendungen abhängig. Dies wurde bei den Kundengesprächen bestätigt. Dabei betrifft das Interesse der Hersteller von Kunststoffcompounds als Großabnehmer vor allem kosteneffiziente Produkte. Im Zuge der Belieferung einzelner Kunden mit Versuchsprodukten ergaben sich allerdings immer weitere Anforderungen, die auch weitere Investitionen und Anlagenumbauten zur Folge hatten. Dabei betrafen die Forderungen nicht nur qualitätsbezogene Kriterien, sondern stellten auch an die Logistik neue Anforderungen die gleichzeitig die Qualität der Produkte betrafen: Für den Eintrag des mikronisierten Talkums in größeren Mengen wurden daher ebenso wie für die Verpackung zum Verkauf als Sackware eine Kompaktierung erforderlich.
Prinzipiell stellt die Compoundierung mit dem Verfahren von NobelMin einen im Wettbewerb stehenden Prozess dar, durch den die Wechselwirkung von Füllstoff und Polymer modifiziert werden kann. Vor dem Hintergrund der Optimierung von Partikelgrößenverteilung, Dispergierbarkeit und Funktionaler Wechselwirkung in der Polymerphase des Compounds ist die Zugabe von Additiven in den Compoundierextrudern aber deutlich weniger geeignet: die Zusätze müssen Schmelzen, viskos spreiten und im Polymer löslich sein, um in der kurzen Zeit im Extruder eine optimale Verteilung zu erreichen. Im Gegensatz dazu ist die Additivierung und Funktionalisierung des Talkums in dem von Nobelmin angewandten Mahlverfahren deutlich effizienter.

Weitere Anforderungen von Kunden zur Thematik der Produktsensorik wurden aufgeworfen und analytische Probleme zum Gehalt an gesättigten und ungesättigten bzw. aromatischen Kohlenwasserstoffen (MOSH/MOAH) mussten gelöst werden.
Die Fragen und Thematik der Qualität des Aspekt-Verhältnisses und der Relevanz der Ölzahl, der Nassweiße und Opazität sind auch bis heute noch nicht abschließend gelöst.

Für die Produktion wurden im Rahmen des Projektes die Rohstoffqualitäten eines Lieferanten aus Indien ausgewählt und zertifiziert. Die Talkumqualität ist asbestfrei und besitzt höchste Weiße und Reinheit. Vor dem Hintergrund bestehender Kundenanfragen und Produktlieferungen wurde das Polypropylen Moplen 2000 als Matrix für die Compoundherstellung ausgewählt. Die hierfür vorgesehenen Talkumqualitäten sind Produkte mit einer Partikelgrößenverteilung von D98 < 5 µm und d50 > 1,5 µm, wie auch die etwas gröberen Produktqualitäten mit einem d98 < 8 µm und einem d50 < 2,5 µm. Als Qualitätskriterien wurden Festigkeit und Elastizitätsmodul (alle industriellen Bereiche), Kratzbeständigkeit (Automobilindustrie), Lackhaftung (Automobilindustrie) und Oberflächenglätte (Haushaltsgeräteindustrie) zugrunde gelegt. Vor dem Hintergrund der Energieeffizienz war neben der Oberflächenfunktionalisierung im Hinblick auf die Dispergierung und oberflächenchemisch-physikalische Einbindung von Talkum in der Polymermatrix die Minimierung der spezifischen Mahlenergie ein Ziel des Projektes. Hierzu wurden zahlreiche Versuche zusammen mit dem Institut für Kunststofftechnologie (IKT) der Universität Stuttgart in mehreren Stufen durchgeführt: Talkummodifikation – Compoundherstellung – Prüfteilspritzguss - Probeteiltestung. In Zusammenarbeit mit dem Additivzulieferer Evonik konnte eine weitere Versuchsserie zur Modifikation der Talkum-Polymer-Wechselwirkung durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Versuche wurden in einem Abschlussbericht ausführlich dokumentiert.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Möglichkeiten des Einsatzes derartig modifizierter Talkum-Qualitäten zur Optimierung der Funktionalität von Polymercompounds wurde in einer Vielzahl von Gesprächen und Kontakten mit Kunden und potenziellen Kunden diskutiert. In einigen Fällen haben sich bereits Entwicklungskooperationen ergeben, so z.B. mit der Fa. Südpack (großer Hersteller von Verpackungen auf Kunststoffbasis für funktionale Packstoffe mit verbesserter Funktionalität und Rezyklierbarkeit), der Fa. Evonik (für die Herstellung modifizierter Talkumqualitäten zur Verbesserung der Kratzfestigkeit von Kunststoffoberflächen), mit der Fa. Hofmann Minerals zur Herstellung modifizierter Talkum-Qualitäten zur verbesserten Verankerung der Pigmentpartikel in einer maleinierten Polypropylen-Kunststoffmatrix etc.


Fazit

Die Oberflächenfunktionalisierung von Talkum beim Mahlprozess kann (wie in der Industrie auch bei anderen Mineralien) zu einer weitergehenden Funktionalisierung des Minerals eingesetzt werden. Dabei können einige der nachteiligen Eigenschaften des Talkums umgangen werden, ohne dass die speziellen Eigenschaften des Minerals beeinträchtigt werden. Die beobachteten Änderungen umfassen dabei fast alle Bereiche der Produkt- und der Anwendungseigenschaften:

• Die Benetzbarkeit wird verbessert
• Die Dispergierbarkeit und die Verteilung wird vereinfacht
• Das Fließverhalten wird anpassbar
• Die Kompaktierbarkeit wird besser (höhere Dichten werden erreichbar)
• Die Partikelgrößenverteilung wird feiner
• Die Kompatibilität mit Polymeren wird besser (die Wechselwirkung der Partikel mit dem Polymer wird gesteigert)
• Die Viskosität der Polymercompounds wird verändert
• Die Weiße, Färbung und Opazität der Polymercompounds ändern sich

Der hocheffizient verlaufende Mahlvorgang wird dabei nicht beeinträchtigt, vielmehr wurden additivabhängig sogar weitere positive Einflüsse auf das Mahlergebnis und Effizienzsteigerungen beobachtet. In dem Prozess kommt auch der größte Vorteil der Modifikation in der Mühle zum Tragen: die für die Modifikation einzusetzende Funktionalchemie ist so gut wie nicht beschränkt und es ist kein zusätzlicher Trocknungsaufwand erforderlich. Mit funktionalen Polymeren modifizierte Produkte sind ebenso möglich, wie das einfache Einbringen von geringsten Mengen an flüssigen oberflächenaktiven Stoffen und Siliconen.
Die trockene Modifikation erfordert keinen zusätzlichen Trocknungsenergieaufwand und die hohen Scherenergien sorgen für eine höchsteffiziente Verteilung der funktionalen Zusätze bei geringsten Einsatzmengen. Weder für die Zusätze noch für das Talkum sind zusätzliche energieaufwändige Vor- oder Nachbehandlungen erforderlich (Cryomalung, Dispergierung, Emulgierung, Trocknung etc.).
Die Palette der Modifikationen ist dabei nahezu unerschöpflich und es gilt hier nur die optimalen Kombinationen für die angestrebte Anwendung zu finden.