OETTER, Günter (Hans-von-Marees-Str. 21, Frankenthal, 67227, DE)
KIEBURG, Christoffer (Rheinstrasse 5, Maxdorf, 67133, DE)
PFISTER, Jürgen (St.-Klara-Kloster-Weg 62b, Speyer, 67346, DE)
LAUN, Martin (Robert-Blum-Str. 40, Mannheim, 68199, DE)
GABRIEL, Claus (Karlstrasse 39, Griesheim, 64347, DE)
OETTER, Günter (Hans-von-Marees-Str. 21, Frankenthal, 67227, DE)
KIEBURG, Christoffer (Rheinstrasse 5, Maxdorf, 67133, DE)
PFISTER, Jürgen (St.-Klara-Kloster-Weg 62b, Speyer, 67346, DE)
LAUN, Martin (Robert-Blum-Str. 40, Mannheim, 68199, DE)
| Patentansprüche
1. Verfahren zur Konditionierung einer magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension, bei dem die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension durch ei- nen Spalt (3) geleitet wird, um eine Scherung der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension zu bewirken, und ein Magnetfeld derart in dem Spalt (3) angelegt ist, dass die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension in Gegenwart des Magnetfeldes geschert wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des Magnetfeldes einstellbar ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (3) von mindestens zwei Flächen begrenzt ist, die sich relativ zueinander bewe- gen.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (3) von einer Statorplatte (13) und einer der Statorplatte (13) gegenüberliegenden Rotorplatte (15), die um eine zentrale Drehachse (23) rotiert, begrenzt ist oder dass der Spalt (3) von einem rotierbaren Zylinder (65) und einem dem rotierbaren Zylinder (65) umschließenden ortsfesten Gehäuse (63) begrenzt ist.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension eine Basisflüssigkeit, mag- netisierbare Partikel und gegebenenfalls Additive enthält.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension mindestens 15 Vol.-% magnetisierbare Partikel bezogen auf das Gesamtvolumen der Suspension enthält.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel Carbonyleisenpulver sind.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisflüssigkeit ein Poly-α-Olefin ist.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel, die Polymere, das Lösungsmittel und die gegebenenfalls enthaltenen Additive vor dem Scheren in Gegenwart des Magnetfeldes in einem Dispergierschritt miteinander zu der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension gemischt werden.
10. Vorrichtung zur Konditionierung von magnetisierbare Partikel enthaltenden Sus- Pensionen, umfassend mindestens einen Spalt (3), der von der magnetisierbare
Partikel enthaltenden Suspension durchflössen wird, um eine Scherkraft auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension aufzubringen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin mindestens einen Magneten zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem mindestens einen Spalt (3) enthält.
1 1. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet ein Elektromagnet ist.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Spalt (3) von relativ zueinander bewegbaren Platten (9,11 ) begrenzt ist, um eine Scherkraft auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension aufzubringen.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der relativ zueinander bewegbaren Platten (11 ) eine Rotorplatte (15) ist, die um eine zentrale Drehachse (23) rotierbar ist.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorplatte (15) gegenüberliegend eine Statorplatte (13) angeordnet ist, so dass der Spalt (3) durch die Rotorplatte (15) und die Statorplatte (13) begrenzt wird.
15. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorplatte (15) gegenüberliegend eine zweite Rotorplatte angeordnet ist, so dass der Spalt durch die beiden gegenüberliegenden Rotorplatten begrenzt wird.
16. Vorrichtung gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorplatte (15) und die Statorplatte (13) bzw. die zweite Rotorplatte jeweils eine ebene, eine ebene und eine kegelförmige oder jeweils eine kegelförmige Plattenoberfläche (17,19) aufweisen.
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Spalt (3) ein Strömungskanal (45) ist, der von der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension durchströmt wird.
18. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (3) eine Höhe im Bereich von 0,2 mm bis 10 mm aufweist.
19. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Kühlsystem umfasst ist, durch das bei der Scherung entstehende Wärme abgeführt wird. |
Verfahren und Vorrichtung zur Konditionierung einer magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung einer magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Konditionierung von magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspensionen.
Magnetisierbare Partikel enthaltende Suspensionen werden für verschiedenste Zwecke eingesetzt. So werden derartige Flüssigkeiten z.B. als magnetische Beschichtungsmit- tel für Magnetspeichermedien verwendet. Weitere Anwendungsbereiche sind die Verwendung als Dichtungsflüssigkeiten oder als magnetorheologische Flüssigkeiten. Die magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspensionen enthalten üblicherweise eine Ba- sisflüssigkeit, magnetisierbare Partikel, Dispergiermittel und Thixotropiermittel.
Die Qualität der Suspension ist umso besser, je besser die magnetisierbaren Partikel voneinander getrennt vorliegen und je gleichmäßiger die Partikel in der Suspension an der Partikeloberfläche mit Dispergiermitteln belegt sind. Wesentliche Eigenschaften der magnetisierbaren Partikel enthaltenden Suspension, insbesondere Viskosität und Qualität der Suspensionen werden dadurch beeinflusst. Wenn die Suspension aus Komponenten mit stark unterschiedlicher Polarität besteht, werden häufig oberflächenaktive Substanzen hinzugegeben. In Abhängigkeit von den Mengen- und Oberflächenverhältnissen können sich auch Micellen, Membranen und Tensidmehrfachschichten ausbil- den.
Um die Sedimentationsstabilität der magnetisierbaren Partikel in der Suspension zu verbessern, ist aus US-B 6,203,717 z.B. bekannt, einer magnetorheologischen Flüssigkeit organomineralischen Ton zuzugeben. Zur Entlaminierung des organominerali- sehen Tons wird auf die Suspension eine hohe Scherspannung aufgebracht.
Um Partikel in einer magnetorheologischen Flüssigkeit auf eine einheitliche Größe zu bringen, ist es aus US-A 2004/0050430 bekannt, die Flüssigkeit mit den darin enthaltenen Partikeln in einem Spalt zu scheren. Hierzu wird die Partikel enthaltende Flüssig- keit durch den Spalt gepresst. Ein weiteres Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften einer magnetorheologischen Flüssigkeit ist aus EP-B 0 672 294 bekannt. Bei diesem werden durch abrasive Verfahren, z.B. durch Zugabe von abrasiven Additiven Kontaminationsprodukte an der Oberfläche der Partikel entfernt. Nach dem Entfernen der Kontaminationsprodukte werden die Partikel sofort in das Lösungsmittel gemischt,
um zu vermeiden, dass sich erneut derartige Kontaminationsprodukte, z.B. Oxidschichten, ausbilden.
EP-B 0 755 563 offenbart magnetorheologische Materialien, bei denen mindestens 90% der Partikel mit einer Schutzschicht umgeben sind. Die Schutzschicht ist aus aushärtbaren Polymeren, thermoplastischen Werkstoffen, nichtmagnetischen Metallen, Keramiken oder Kombinationen daraus gefertigt. Die Schutzschicht wird aufgetragen, um eine hohe maximale Schubspannung der magnetorheologischen Materialien zu erzielen und über die Dauer des Gebrauches zu konservieren. Auch aus EP-A 0 845 790 ist eine magnetorheologische Flüssigkeit bekannt, die mit organischen Polymeren beschichtete magnetisierbare Teilchen enthält. Hierbei erfolgt die Beschichtung der magnetisierbaren Teilchen, um die Abrasivität und Absetzneigung zu verringern.
Um ein Absetzen der magnetisierbaren Teilchen zu vermeiden, ist aus US-B 6,547,986 bekannt, einem magnetorheologischen Schmierstoff ein Verdickungsmittel zuzufügen. Die Menge des Verdickungsmittels wird so gewählt, dass das Absetzverhalten der magnetisierbaren Teilchen verbessert wird.
Wenn die magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspensionen beim Anwender scherenden Bedingungen in Magnetfeldern unterworfen werden, kann es zu Veränderungen der Suspensionseigenschaften kommen, die Grundviskosität kann zunehmen. Derartige Veränderungen werden auch als In-Use-Thickening-Phänomen (IUT) bezeichnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Konditionierung von magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspensionen herzustellen, durch welches die aus dem Stand der Technik bekannten Veränderungen der Suspensionseigenschaften, wie steigende Viskosität oder veränderte Sedimentationseigenschaften, bei der Anwendung vermieden werden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, durch das das In-Use-Thickening-Phänomen von magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspensionen während der Benutzung in einem Apparat reduziert werden kann. Als Konditionierung wird ein Vorgang bezeichnet, dem magnetisierbare Partikel enthaltende Suspensionen unterworfen werden, bevor die Suspension oder ein magnetisierbare Partikel enthaltende Suspensionen nutzender Apparat an den Anwen- der abgegeben wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Konditionierung einer magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension, bei dem die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension durch einen Spalt geleitet wird, um eine Scherung der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension zu bewirken. In dem Spalt ist ein Magnetfeld derart angelegt, dass die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension in Gegenwart des Magnetfeldes geschert wird.
Eine magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension im Sinne der vorliegenden Erfindung enthält im Allgemeinen magnetisierbare Partikel und Flüssigkeit. Zusätzlich können gegebenenfalls Additive enthalten sein.
Bei den magnetisierbaren Partikeln kann es sich um beliebige, dem Stand der Technik bekannte Teilchen handeln.
Die magnetisierbaren Teilchen weisen üblicherweise einen mittleren Durchmesser zwischen 0,1 und 500μm, bevorzugt zwischen 0,1 und 100μm und besonders bevorzugt zwischen 1 und 50μm auf. Die Form der magnetisierbaren Teilchen kann gleichmäßig oder unregelmäßig sein. Beispielsweise kann es sich um sphärische, Stäbchen- oder nadeiförmige Teilchen handeln. Bevorzugt werden magnetisierbare Teilchen von weit- gehend sphärischer Gestalt eingesetzt. Annähernd sphärische Partikel können z.B. durch das Verdüsen von geschmolzenen Metallen (Sprühpulver, „atomisierte" Metalle) erhalten werden.
Auch ist es möglich, dass Mischungen von magnetisierbaren Teilchen, insbesondere von magnetisierbaren Teilchen mit unterschiedlicher Teilchengrößenverteilung und/oder mit unterschiedlichem Material zum Einsatz kommen.
Die magnetisierbaren Teilchen sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus eisenhaltigen Partikeln, nickelhaltigen Partikeln oder kobalthaltigen Partikeln. Dabei handelt es sich z.B. um Partikel aus Eisen, Eisenlegierungen, Eisenoxiden, Eisennitrid, Eisencarbid, Carbonyleisen, Nickel, Cobalt, Edelstahl, Siliciumstahl, Legierungen oder Mischungen daraus. Es können aber Partikel z.B. aus Chromdioxid enthalten sein.
Die magnetisierbaren Teilchen können eine Beschichtung aufweisen, z.B. kann mit isolierenden oder korrosionsverhindernden anorganischen Substanzen, z.B. Silikaten, Phosphaten, Oxiden, Carbiden oder Nitriden, mit anderen Metallen oder mit mindestens einem Polymer beschichtetes Eisenpulver verwendet werden.
Bevorzugt liegen die magnetisierbaren Teilchen als Carbonyleisenpulver (CEP)- Partikel vor. Das Carbonyleisenpulver wird bevorzugt durch Zersetzung von Eisenpen- tacarbonyl hergestellt. Verschiedene Arten von CEP sind dem Fachmann bekannt. Neben den aus der thermischen Abspaltung erhaltenen harten CEP-Typen können auch reduzierte Carbonyleisenpulver verwendet werden. Derartige Pulver sind weniger abrasiv und sind mechanisch weicher. Von harten und reduzierten CEP-Sorten werden auf verschiedene Art und Weise oberflächenbehandelte Typen abgeleitet. Die gebräuchlichsten behandelten Carbonyleisenpulver sind silikat- oder phosphatbeschichtet. Es sind aber auch andere Modifizierungen erhältlich. Ein weiteres Kriteri- um der Differenzierung von Carbonyleisenpulvern ist die jeweilige Größenverteilung von Partikeln, die wesentlichen Einfluss auf die Anwendungseigenschaften haben kann. Die dispergieren Carbonyleisenpulver-Partikel haben vorzugsweise einen mittleren Durchmesser im Bereich von 1-30 μm. Prinzipiell sind alle Carbonyleisenpulver- Sorten geeignet. Die genaue Auswahl richtet sich nach den Einsatzbedingungen für die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension.
Die magnetisierbaren Teilchen sind in der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension vorzugsweise mit einem Anteil zwischen 15 und 49 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 20 und 48 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension enthalten.
Als Basisflüssigkeit, in der die magnetisierbaren Partikel dispergiert sind, eignen sich z.B. Wasser oder organische Lösungsmittel. Geeignete organische Lösungsmittel sind z.B. Mineralöle, Poly-α-olefine, Paraffinöle, hydraulische öle, Esteröle, chlorierte Aro- maten enthaltende öle, sowie chlorierte und fluorierte öle. Weiterhin geeignet sind auch Silikonöle, fluorierte Silikonöle, Polyether, fluorierte Polyether und Polyetherpoly- siloxanpolymere. Ebenfalls geeignet als Basisflüssigkeit sind Alkohole oder Amidderi- vate von Carbonsäuren mit weniger als 5 Kohlenstoffatomen sowie wasserlösliche A- mine. Geeignete Basisflüssigkeiten sind z.B. Ethanol, Propanol, Isopropanol, Alkylal- kohol, Mercaptoethanol, Glycerin, Ethylenglycol, Propylenglycol, Pentan-2,4-diol, He- xan-2,5-diol, Butan-1 ,3-diol, Ethylendiamin, Diethylentriamin, N-
Hydroxyethylpropylendiamin, Morpholin, N-Methyl-morpholin, Triethanolamin, Forma- mid, Acetamin und ähnliche. Weiterhin geeignet sind offene oder endgruppenver- schlossene Alkoholalkoxylate und Ionische Flüssigkeiten. Die vorgenannten Flüssigkei- ten können auch miteinander vermischt werden, um ggf. geeignete Basisflüssigkeiten zu ergeben. Besonders bevorzugt ist die Basisflüssigkeit jedoch ein Poly-α-Olefin.
Weiterhin kann die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension mindestens ein Additiv enthalten. Das Additiv ist im Allgemeinen ausgewählt aus der Gruppe beste-
hend aus Thixotropiermittel, Viskositätsmodifizierer, Verdicker, Dispergiermittel, oberflächenaktive Zusätze, Antioxidanzien, Gleit-/Schmiermittel und Korrosionsschutzmittel.
Viskositätsmodifizierer können z.B. in der Basisflüssigkeit lösliche Lösungsmittel oder polymere Zusätze sein, die die Viskosität der Formulierung verändern. Geeignete Viskositätsmodifizierer sind z.B. polare Lösungsmittel wie Wasser, Aceton, Acetonitril, molekulare Alkohole, Amine, Amide, DMF, DMSO, oder polymere Zusätze wie z.B. unmodifizierte oder modifizierte Polysaccharide, Polyacrylate und Polyharnstoffe.
Wenn die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension als Viskositätsmodifizierer dienende Additive enthält, so sind diese vorzugsweise in einer Konzentration von 0,01- 13 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,01-11 Gew.-%, insbesondere von 0,05 -10 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension, enthalten.
Ein Thixotropiermittel ist ein Additiv, das eine Fließgrenze aufbaut und so einer Sedimentation der Partikel in der Flüssigkeit der die magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension entgegenwirkt. Das Thixotropiermittel ist z.B. ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus natürlichen und synthetischen Schichtsilikaten der Smektitgruppe (ge- gebenenfalls hydrophob modifizierte Schichtsilikate, z.B. des Montmorillonit-Typs, wie aus der WO 01/03150 A1 bekannt), Kieselgel (amorphem), dispersem Siliziumdioxid (wie aus US 5,667,715 bekannt), faserförmigen Silikaten (z.B. mikronisierte Sepiolithe und Attapulgite), Kohlenstoffpartikeln (wie aus US 5,354,488 bekannt), Kieselgel und Polyharnstoffen (wie aus DE 196 54 461 A1 bekannt). Auch können Thixotropiermittel auf Basis von polymeren Kohlenhydraten eingesetzt werden, wie etwa Xanthan- oder Galactomananderivate, Guarderivate und ionische oder nichtionische Cellulose- bzw. Stärkeether.
Beispiele für verwendbare Schichtsilikate sind Bentonit, Montmorillonit, Hectorit oder synthetische Schichtsilikate wie Laponite® der Rockwood Additives Ltd. und deren modifizierten Varianten. Weiterhin können auch hydrophob modifizierte und damit an hydrophobe Lösungsmittel wie Poly-α-Olefine und Silikone angepasste Schichtsilikate verwendet werden.
Wenn die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension als Thixotropiermittel dienende Additive enthält, so sind diese vorzugsweise in einer Konzentration von 0,01-10 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,01-5 Gew.-%, insbesondere von 0,05-1 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension, enthalten.
Ein Dispergiermittel ist ein Additiv, das die Redispergierbarkeit der magnetisierbaren Partikel in der Flüssigkeit nach ihrer Sedimentation verbessert und deren Agglomeration verhindert. Geeignete Dispergiermittel sind z.B. polymere Dispergiermittel wie Polysaccharide, Polyacrylate, Polyester, insbesondere von Polyhydroxystearinsäure, Al- kydharze, langkettige Alkoxylate, weiterhin Polyalkylenoxide, wie beispielsweise Pluro- nic® der BASF AG, bei denen es sich um Polyethylenoxid-Polypropylenoxid- Polyethylenoxid-Blockcopolymerisate und Polypropylenoxid-Polyethylenoxid- Polypropylenoxid-Blockcopolymerisate handelt. Mögliche Dispergiermittel sind weiterhin anionische, kationische, amphotere und nichtionische Tenside, die dem Fachmann bekannt sind und nicht im Einzelnen erwähnt werden müssen. Beispielhaft für nichtionische Tenside seien Zuckertenside und Alkoholalkoxylate genannt, als Beispiel für anionische Tenside Carbonsäuresalze, z.B. Oleate und Stearate, Alkylsulfate, Alky- lethersulfate, Alkylphosphate, Alkyletherphosphate und Alkylsulfonate und als Beispiel für amphotere oder zwitterionische Tenside seien Alkylaminoxide genannt.
Wenn die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension als Dispergiermittel dienende Additive enthält, so sind diese vorzugsweise in einer Konzentration von 0,01 bis 5 Gew.-%, besonderes bevorzugt von 0,05 bis 1 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension, enthalten.
Weiterhin kann die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension wahlweise andere Additive enthalten, beispielsweise Gleitmittel wie Teflonpulver, Molybdänsulfid oder Graphitpulver, Korrosionsinhibitoren, Anti-Verschleiß-Additive und Antioxidantien.
Durch das Scheren der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension in Gegenwart eines Magnetfeldes lässt sich die Dispergiereffizienz deutlich steigern.
Im Unterschied zu einer Scherung ohne Magnetfeld, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, hat es sich gezeigt, dass eine Scherung in Gegenwart des Magnetfel- des zu verbesserten Suspensionseigenschaften führt. Hierdurch lässt sich eine stabilere Suspension erzeugen, die auch dann, wenn sie erneut scherenden Bedingungen in Magnetfeldern unterworfen wird, keine Zunahme der Viskosität zeigt. Das In-Use- Thickening-Phänomen wird reduziert und eine bessere Redispergierbarkeit der magnetisierbaren Partikel erreicht.
Zudem wird auch die Temperaturstabilität der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension unter Scherung in der Anwendung verbessert.
Weiterhin hat sich auch gezeigt, dass z.B. längere Dispergierzeiten bei der Herstellung der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension ein Scheren in Gegenwart des
Magnetfeldes, wie dies erfindungsgemäß durchgeführt wird, nicht ersetzen kann. Das Scheren der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension in Gegenwart des Magnetfeldes führt zu gegenüber längeren Dispergierzeiten weiter verbesserten Eigenschaften.
üblicherweise wird die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension vor der Konditionierung durch ein Dispergierverfahren hergestellt. Eine Scherung der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension lässt sich dadurch erzielen, dass ein Spalt, durch den die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension geleitet wird, der Scherspalt, von mindestens zwei Flächen begrenzt ist, die sich relativ zueinander bewegen. Die Relativbewegung der mindestens zwei Flächen lässt sich z.B. dadurch erzielen, dass die eine Fläche unbewegt ist und die zweite Fläche bewegt ist. Alternativ ist es auch möglich, dass sich beide Flächen mit einer unterschiedlichen Geschwindigkeit oder in entgegengesetzten Richtungen bewegen.
Zur Herstellung der Suspension wird z.B. ein Ultra-Turrax® oder eine Kugelmühle eingesetzt. Der Ultra-Turrax® ist ein Rührstab mit einem sehr schnell rotierenden Messer. Das Messer rotiert mit bis zu 24.000 U/min. Hierdurch treten sehr hohe Scherkräfte auf, die zu einer Verteilung der magnetisierbaren Partikel und gegebenenfalls der Dispergiermittel und Additive in der zu erzeugenden Suspension führen. Auch in einer Kugelmühle können derartige Suspensionen hergestellt werden. Auf diese Weise wird eine feine Dispersion erzeugt. Um die Eigenschaften der derart erzeugten Dispersion weiter zu verbessern, erfolgt erfindungsgemäß anschließend die Konditionierung durch Scherung in Gegenwart des Magnetfeldes.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Mischen der magnetisierbaren Partikel und des Lösungsmittels sowie gegebenenfalls der Additive im Dispergierverfahren ebenfalls in Gegenwart eines Magnetfeldes. Durch das Dispergieren in Gegenwart des Magnetfeldes wird ebenfalls eine Verbesserung der Eigenschaften der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension erzielt.
In Abhängigkeit von der Konzentration der magnetisierbaren Partikel in der Suspension ist es bevorzugt, wenn die Stärke des Magnetfeldes, bzw. die magnetische Flussdichte im Scherspalt am Ort der Scherung einstellbar ist. Geeignete magnetische Flussdich- ten liegen vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 1 ,2 T. Besonders bevorzugt liegt die Stärke des Magnetfeldes im Bereich von 0,1 bis 1 T.
Um die magnetische Flussdichte einstellen zu können, ist es bevorzugt, wenn Elektromagneten zur Erzeugung des Magnetfeldes eingesetzt werden und die magnetischen Feldlinien senkrecht zur Scherebene stehen.
Eine Scherung der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension lässt sich dadurch erzielen, dass der Spalt, durch den die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension geleitet wird, von mindestens zwei Flächen begrenzt ist, die sich relativ zueinander bewegen.
Wenn der Spalt von mindestens zwei Flächen begrenzt ist, die sich relativ zueinander bewegen, ist es bevorzugt, wenn eine Fläche eine Statorplatte und die andere Fläche von einer der Statorplatte gegenüberliegenden Rotorplatte gebildet wird. Die Rotorplat- te rotiert dabei vorzugsweise um eine zentrale Achse. Im Allgemeinen sind die Statorplatte und die Rotorplatte derart angeordnet, dass die Achse, um die die Rotorplatte rotiert, senkrecht zur Statorplatte verläuft.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Scherspalt begrenzt von zwei koaxialen, ineinander geschobenen Zylindern. Der Scherspalt wird dabei vom äußeren Radius des inneren Zylinders und vom inneren Radius des äußeren Zylinders gebildet. Die Scherung im Spalt wird dadurch bewirkt, dass sich die Zylinder durch eine Rotationsbewegung um die gemeinsame Achse relativ zueinander bewegen. Hierbei sind prinzipiell zwei verschiedene Anordnungen denkbar: In der ersten Variante rotiert der äußere Zylinder, der innere Zylinder steht fest und dient der Drehmomentmessung (Couette- System). Bei der zweiten Ausführungsform steht der äußere Zylinder fest, der innere Zylinder wird angetrieben und es erfolgt gleichzeitig eine Drehmomentmessung (Sear- Ie-System). Die beiden Zylinder liegen auf derselben Achse, die parallel zum Scherspalt angeordnet ist. Der Scherspalt wird während der Scherung einem Magnetfeld ausgesetzt, das bevorzugt senkrecht zur Scherebene steht. Es ist vorteilhaft, wenn das mit Suspension füllbare Volumen überwiegend vom Scherspalt gebildet wird. Der Abstand der Böden bzw. der Deckflächen des inneren und äußeren Zylinders sollte möglichst klein gewählt werden, z.B. in der Größenordnung der Höhe des Scherspalts. Im Fall einer durchströmten Zylinderanordnung sollte sich kein nicht durchströmtes Totvo- lumen ausbilden können.
In einer alternativen Ausführungsform wird der Scherspalt begrenzt von einem Zylindermantel und von einer in den Zylinder geschobenen Schneckenwelle (Extruder- Prinzip). Es sind auch Extruder mit zwei oder mehreren Schneckenwellen denkbar. Die im Scherspalt befindliche magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension wird während der Scherung einem Magnetfeld ausgesetzt, das für eine deutliche Erhöhung der Viskosität der Suspension sorgt. Das Magnetfeld kann dabei entweder von außen durch die Zylinderwand durch geeignete Elektromagnete oder Permanentmagnete o- der auch von innen über die Schnecke durch geeignete Magnetfelderzeuger aufge- bracht werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der Spalt, durch den die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension geleitet wird, ein Kanal. Die Scherung wird dadurch erzielt, dass der Kanal nur einen geringen Querschnitt aufweist. Hierdurch lässt sich ein großer Druckabfall im Kanal realisieren. Durch den großen Druckabfall wirkt auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension eine Schubspannung, wodurch ein Scheren der Suspension erzielt wird. Wenn der Spalt in Form eines Kanals ausgebildet ist, der von der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension durchströmt wird, ist es bevorzugt, wenn der Querschnitt rechteckförmig ist. In diesem Fall kann ein Magnetjoch oberhalb und das andere unterhalb des Kanals angeordnet sein, so dass ein Magnetfeld im Kanal erzeugt wird. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, dass der Kanal jeden beliebigen anderen Querschnitt aufweist. Im Gegensatz zu einem rechteckförmigen Kanal ist jedoch in diesem Fall die Feldverteilung des Magnetfeldes nicht ideal.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Konditionierung von magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspensionen, umfassend mindestens einen Spalt, der von der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension durchflössen wird, um eine Scherkraft auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension auf- zubringen. Die Vorrichtung enthält weiterhin mindestens einen Magneten zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem mindestens einen Spalt.
Um das Magnetfeld in dem mindestens einen Spalt zu erzeugen, ist es bevorzugt, wenn der mindestens eine Magnet derart angeordnet ist, dass sich die Pole des Mag- neten an gegenüberliegenden Seiten des Spaltes befinden. Auf diese Weise wird in dem Spalt senkrecht zur Scherebene ein Magnetfeld erzeugt.
Um das Magnetfeld nach Bedarf anlegen zu können und gegebenenfalls auch die Stärke des Magnetfeldes variieren zu können, ist es bevorzugt, wenn der Magnet ein Elektromagnet ist. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, anstelle von mindestens einem Elektromagneten mindestens einen Permanentmagneten einzusetzen. Auch ist es möglich, sowohl Elektromagneten als auch Permanentmagneten einzusetzen. Wenn das Magnetfeld einstellbar ist, ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung z.B. zur Konditionierung von magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspensi- onen mit unterschiedlicher Zusammensetzung, insbesondere mit unterschiedlicher Konzentration an in der Suspension enthaltenen magnetisierbaren Partikeln, einzusetzen. Die Stärke des Magnetfeldes kann in diesem Fall jeweils an die zu konditionieren- de magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension angepasst werden.
In einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der mindestens eine Spalt von mindestens zwei zueinander bewegbaren Platten begrenzt, um die Scherkraft auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension aufzubringen. Wie vorstehend bereits beschrieben ist es hierbei möglich, dass der Spalt von zwei gegen- überliegenden Platten begrenzt ist. Hierbei kann eine Platte fest sein und sich die zweite Platte bewegen. Alternativ ist es auch möglich, dass sich beide Platte mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. So können die beiden Platten unterschiedlich schnell sein oder sich in entgegengesetzte Richtung bewegen.
Um eine Relativbewegung der zueinander bewegten Platten zu erzielen, ist es einerseits möglich, dass die Platten gegeneinander verschoben werden. Hierbei ist es z.B. möglich, eine Platte unbewegt zu belassen und der Platte gegenüber ein Endlosband anzuordnen, das um mindestens zwei Rollen umläuft, wodurch die Relativbewegung erzeugt wird.
Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn mindestens eine Platte eine Rotorplatte ist. Die Rotorplatte rotiert um eine zentrale Drehachse, wobei die zentrale Drehachse so angeordnet ist, dass diese senkrecht zur zweiten Platte verläuft. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Spaltbreite gewährleistet. Wenn beide Platten, die den Spalt be- grenzen, als Rotorplatten ausgebildet sind, so ist die Drehachse für beide Platten vorzugsweise eine gemeinsame Achse. Im Allgemeinen ist jedoch eine Platte als Statorplatte ausgebildet und eine Platte als Rotorplatte. In diesem Fall verläuft, wie vorstehend beschrieben, die Drehachse der Rotorplatte vorzugsweise senkrecht durch die Statorplatte.
Wenn der Spalt durch zwei gegenüberliegende Rotorplatten begrenzt wird, ist es bevorzugt, wenn eine Rotorplatte mit einer höheren Geschwindigkeit rotiert als die andere Platte oder wenn die beiden Rotorplatten in entgegengesetzter Richtung rotieren.
Die den Spalt begrenzenden Oberflächen der Rotorplatte und der Statorplatte bzw. der zweiten Rotorplatte weisen vorzugsweise jeweils eine ebene, eine ebene und eine kegelförmige oder jeweils eine kegelförmige Plattenoberfläche auf. Wenn eine Plattenoberfläche eben ist und eine Plattenoberfläche kegelförmig ausgebildet ist oder wenn beide Plattenoberflächen kegelförmig ausgebildet sind, nimmt die Spaltbreite zur Dreh- achse hin ab.
Zur Erfassung des Energieeintrags ist es erforderlich, sowohl Drehzahl als auch Drehmoment der Rotorplatte bzw. der Zylinderanordnung zu erfassen. Bei Vorgabe der Drehzahl ist eine Drehmomentmessung erforderlich, bei Vorgabe des Drehmomentes ist eine Drehzahlmessung erforderlich. Bevorzugt werden stets beide Messgrößen kon-
tinuierlich mitgeschrieben. Mit dem gegebenen Volumen der Scherzelle sowie den Abmessungen des Scherspalts/der Scherspalte lässt sich aus diesen Messgrößen der spezifische Energieeintrag berechnen.
Die beschriebenen Scherzellen erhitzen sich infolge des hohen spezifischen Energieeintrags. Aus diesem Grund ist eine Thermostatisierung der Scherzelle (gleich welcher Bauform) bevorzugt. Diese kann durch ein komplettes Eintauchen der Scherzelle in ein Thermostatisierbad oder einen Kühlofen erreicht werden. Alternativ ist es möglich, im Gehäuse der Scherzelle Kühlkanäle vorzusehen, durch die eine geeignete Kühlflüssig- keit zirkuliert. Diese Variante hat den Vorteil, dass eine Kühlung relativ nahe an den Scherspalten erfolgen kann. Weiterhin ist es möglich, die Scherzelle einem kühlenden Luftstrom auszusetzen.
In einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung ist der mindestens eine Spalt, in dem die Scherkraft auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension aufgebracht wird, ein Strömungskanal, der von der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension durchströmt wird. Die Scherkraft, die auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension ausgeübt wird, hängt hierbei von der Strömungsgeschwindigkeit der Suspension im Kanal und dem Druck- abfall ab. Um einen ausreichend großen Druckabfall bzw. eine ausreichend große Scherung auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension auszuüben, ist es bevorzugt, wenn der Spalt eine Höhe im Bereich von 0,08 bis 5 mm aufweist. Eine geringere Spalthöhe führt dabei bei gleich bleibend gewähltem Durchsatz zu einer größeren auf die Suspension ausgeübten Schergeschwindigkeit. Der Druckverlust im Spalt hängt neben der Höhe auch von der Länge des Spaltes ab. Je größer das Verhältnis von Länge zu Höhe beziehungsweise Länge zu Durchmesser im Spalt ist, umso größer ist der Druckabfall. Das heißt, dass bei abnehmender Spalthöhe ein kürzerer Kanal notwendig ist, um den gleichen Druckabfall zu erzielen.
Um das Magnetfeld im Spalt zu erzeugen, sind bei einem Strömungskanal mit rechteckigem Querschnitt die Magnete oberhalb und unterhalb des Kanals angeordnet, so dass der Kanal von dem Magnetfeld durchflössen wird. Die Magnete können dabei Permanentmagnete oder Elektromagnete sein. Zur Erzeugung des Magnetfeldes werden die Magnete so angeordnet, dass auf einer Seite des Kanals der Nordpol des Magneten und auf der anderen Seite der Südpol des Magneten angeordnet ist. Wenn mehrere Magnete nebeneinander über die Länge des Strömungskanals angeordnet sind, so ist es möglich, dass jeweils gleiche Pole auf einer Seite des Kanals angeordnet sind, so dass das Magnetfeld über die gesamte Kanallänge gleichgewichtet ist. Alternativ ist es jedoch auch möglich, z.B. alternierend auf einer Seite des Kanals die Nord- und Südpole der Magnete anzuordnen und entsprechen auf der anderen Seite
des Kanals die entgegengesetzten Pole, so dass das Magnetfeld im Kanal von Polpaar zu Polpaar die Richtung ändert.
Bei der Kanalanordnung sind vorzugsweise Vorrichtungen zur Bestimmung des Durch- satzes und des Druckabfalls über den Kanal vorgesehen, um den Scherenergieeintrag zu bestimmen. Bei einer Extruderanordnung werden vorzugsweise das Drehmoment der Schnecke und der Durchsatz oder die Drehzahl der Schnecke erfasst.
Um eine ausreichende Konditionierung der magnetisierbare Partikel enthaltenden Sus- pension zu erzielen, umfasst die Vorrichtung im Allgemeinen weiterhin ein Vorratsgefäß, in dem die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension enthalten ist. Aus dem Vorratsgefäß wird die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension im Allgemeinen mit Hilfe einer Pumpe durch den mindestens einen Spalt befördert. Um eine hinreichende Konditionierung zu erzielen, ist es bevorzugt, die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension mehrmals den Spalt durchfließen zu lassen. Die Anzahl der Durchläufe der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension durch den Spalt ist dabei abhängig von dem für den Konditioniervorgang notwendigen Energieeintrag.
Durch die Konditionierung der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension wird neben der Reduzierung des In-Use-Thickening auch die Redispergierbarkeit verbessert. So lässt sich z.B. eine erfindungsgemäß konditionierte magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension nach 20 Tagen Lagerzeit im Vergleich zu einer unkonditionierten magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension mit wesentlich geringerer Arbeit redispergieren. Der Unterschied bei 20 Tagen Lagerzeit liegt bei ungefähr Faktor 5. Das heißt, dass die erfindungsgemäß konditionierte magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension mit einem Aufwand redispergiert werden kann, der um den Faktor 5 niedriger liegt als der einer unkonditionierten magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäß ausgebildete Scherzelle mit Rotorplatte,
Figur 2 ein Konditionierungssystem mit Scherzelle gemäß Figur 1
Figur 3 .1 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Strömungskanal zur Konditionierung im Längsschnitt,
Figur 3.2 den Strömungskanal gemäß Figur 3.1 im Querschnitt,
Figur 4 ein Konditionierungssystem mit Strömungskanal gemäß den Figuren 3.1 und 3.2,
Figur 5 eine erfindungsgemäß ausgebildete Scherzelle mit Zylindergeometrie in einer ersten Ausführungsform,
Figur 6 eine erfindungsgemäß ausgebildete Scherzelle mit Zylindergeometrie in einer zweiten Ausführungsform, und
Figur 7 eine erfindungsgemäß ausgebildete Scherzelle mit Extruderaufbau.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Scherzelle mit Rotorplatte dargestellt.
Eine Scherzelle 1 umfasst einen Spalt 3, der von einer magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension durchströmt wird. Im Spalt 3 erfolgt eine Scherung der Suspension. Die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension wird dem Spalt 3 über einen Ein- lasskanal 5 zugeführt. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Scherzelle 1 ist der Einlasskanal 5 zentrisch angeordnet. Die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension strömt über den Einlasskanal 5 in den Spalt 3, durchströmt den Spalt 3 und wird über einen über einen oder mehrere Auslasskanäle 7 wieder der Scherzelle 1 entnommen. In der hier dargestellten Ausführungsform umfasst die Scherzelle 1 zwei Auslasskanäle 7. Es ist jedoch auch möglich, dass die Scherzelle 1 nur einen Auslasskanal 7 oder auch mehr als zwei Auslasskanäle 7 umfasst.
Der Spalt 3 wird von einer ersten Platte 9 und einer zweiten Platte 1 1 begrenzt. Die erste Platte 9 ist in der hier dargestellten Ausführungsform eine Statorplatte 13. Der Einlasskanal 5 durchdringt die Statorplatte 13 in deren Mitte.
Der Statorplatte 13 liegt die zweite Platte 1 1 , die als Rotorplatte 15 ausgebildet ist, gegenüber. Auf diese Weise wird der Spalt 3 durch eine Oberfläche 17 der Statorplatte 13 und einer Oberfläche 19 der Rotorplatte 15 begrenzt.
Die Oberfläche 17 der Statorplatte 13 und die Oberfläche 19 der Rotorplatte 15 können, wie in Figur 1 dargestellt, eben sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Oberfläche 17 der Statorplatte 13 und die Oberfläche 19 der Rotorplatte 15 kegelförmig ausgebildet sind. Die Kegelspitze befindet sich hierbei in der Mitte der Oberfläche 19 der Rotorplatte 15 bzw. der Oberfläche 17 der Statorplatte 13, d.h. an der Position, an der
die Drehachse 23 die Rotorplatte 15 und die Statorplatte 13 durchstößt. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Oberfläche 17 der Statorplatte 13 eben ist und die Oberfläche 19 der Rotorplatte 15 kegelförmig bzw. die Oberfläche 19 der Rotorplatte eben und die Oberfläche 17 der Statorplatte 13 kegelförmig. Wenn die Oberfläche 17 der Sta- torplatte 13 oder die Oberfläche 19 der Rotorplatte 15 kegelförmig ausgebildet sind, so liegt der Spitzenwinkel des Kegels vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 6°.
Die Rotorplatte 15 ist mit einer Rotorwelle 21 verbunden. Die Rotorwelle 21 ist weiterhin mit einem hier nicht dargestellten Antrieb verbunden. Durch den Antrieb und die Rotorwelle 21 wird die Rotorplatte 15 in eine Rotationsbewegung versetzt.
Zentrisch durch die Rotorwelle 21 verläuft eine Drehachse 23. Die Drehachse 23 ist dabei so ausgerichtet, dass diese senkrecht durch die Rotorplatte 15 und senkrecht durch die Statorplatte 13 verläuft. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Spaltweite des Spaltes 3 erzielt.
Damit beim Betrieb der Scherzelle 1 keine magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension aus dem Spalt 3 herausgeschleudert wird, umfasst die Scherzelle 1 weiterhin ein Gehäuse 25. Das Gehäuse 25 umschließt die Statorplatte 13, die Rotorplatte 15 und den Spalt 3.
In der hier dargestellten Ausführungsform ist im Gehäuse 25 ein Durchbruch 27 ausgebildet, durch den die Rotorwelle 21 der Rotorplatte 15 verläuft. Die Rotorwelle 21 ist vorzugsweise durch ein in Figur 1 nicht näher dargestelltes Lager im Durchbruch 27 des Gehäuses 25 gelagert. Als Lager eignet sich jedes beliebige, dem Fachmann bekannte Wälzlager. So können z.B. Kugellager, Nagellager, Zylinderlager oder ähnliche eingesetzt werden. Weiterhin ist der Innenraum des Gehäuses 25 vorzugsweise mit einem Dichtelement 29, das zwischen der Rotorwelle 21 und dem Gehäuse 25 im Durchbruch 27 aufgenommen ist, gegen die Umgebung abgedichtet. Das Dichtelement 29 kann z.B. ein O-Ring, ein Wellendichtring, ein Quadring, eine Labyrinthdichtung oder eine Gleitringdichtung sein. Auch jede beliebige andere, dem Fachmann bekannte Dichtung, die ein rotierendes Element gegen ein stationäres Element abdichtet, ist möglich.
Um zu vermeiden, dass magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension aus dem Spalt 3 um die Rotorplatte 15 herum strömt und nicht zu den Auslasskanälen 7, ist in der hier dargestellten Ausführungsform die Rotorplatte 15 von einem zweiten Dichtelement 31 umschlossen. Die Abdichtung wird dadurch erzielt, dass das zweite Dichtelement 31 einerseits am Außenumfang der Rotorplatte 15 und andererseits am Ge- häuse 25 anliegt. Das zweite Dichtelement 31 kann ebenso wie das Dichtelement 29
ein O-Ring, ein Wellendichtring, ein Quadring, eine Labyrinthdichtung, eine Gleitringdichtung oder eine beliebige andere, dem Fachmann bekannte Dichtung, mit der ein rotierendes Element gegen ein stationäres Element abgedichtet werden kann, sein.
Zur Konditionierung der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension wird diese über den Einlasskanal 5 dem Spalt 3 zugeführt. Durch eine Rotationsbewegung der Rotorplatte 15 wird auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension eine Scherkraft ausgeübt. Gleichzeitig wird der Spalt von einem Magnetfeld durchflössen. Hierzu befindet sich auf der dem Spalt abgewandten Seite der Rotorplatte 15 ein ers- tes Joch 33 und auf der dem Spalt 3 abgewandten Seite der Statorplatte 13 ein zweites Joch 35 eines Magneten. Der Magnet kann ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein. Bevorzugt ist der Magnet ein Elektromagnet. Das erste Joch 33 und das zweite Joch 35 sind derart gepolt, dass sich zwischen dem ersten Joch 33 und dem zweiten Joch 35 ein Magnetfeld ausbildet. Dieses Magnetfeld durchfließt dann den Spalt 3. Auf diese Weise erfolgt die Scherung der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension im Spalt 3 in Gegenwart eines Magnetfeldes. Die Stärke des angelegten Magnetfeldes wird so gewählt, dass die magnetische Flussdichte im Scherspalt im Bereich von 0,05 bis 1 ,2 T liegt, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 1 ,2 T, insbesondere im Bereich von 0,2 bis 0,8 T.
Ein Konditionierungssystem mit einer Scherzelle gemäß Figur 1 ist in Figur 2 dargestellt.
Das Konditionierungssystem umfasst zusätzlich zur Scherzelle 1 einen Vorratsbehälter 37, eine Zuleitung 39, einen Rücklauf 41 und eine Pumpe 43. Die Pumpe 43 ist in der Zuleitung 39 angeordnet. Durch die Pumpe 43 wird die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension dem Einlasskanal 5 in die Scherzelle 1 zugeführt. Die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension durchströmt anschließend den Spalt 3 zwischen der Statorplatte 13 und der Rotorplatte 15 und tritt über die Auslasskanäle 7 aus der Scherzelle 1 aus. Die Auslasskanäle 7 münden in den Rücklauf 41 , über den die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension wieder dem Vorratsbehälter 37 zugeführt wird. Um eine ausreichende Konditionierung zu erzielen ist es notwendig, den Inhalt des Vorratsbehälters 37 mehrmals durch die Scherzelle 1 umzupumpen.
In Figur 3.1 ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter Strömungskanal zur Konditionierung im Längsschnitt dargestellt.
Bei der in Figur 3.1 dargestellten Ausführungsform wird der Spalt 3 durch einen Strömungskanal 45 gebildet. Der Strömungskanal 45 wird hierbei durch eine erste Platte 9 an seiner Unterseite und durch eine zweite Platte 1 1 an seiner Oberseite begrenzt. Zur
Konditionierung wird die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension über einen Einlass 47 dem Strömungskanal 45 zugeführt. Aus einem Auslass 49 tritt die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension wieder aus dem Strömungskanal 45 aus. Aufgrund der Wandreibung an der ersten Platte 9 und der zweiten Platte 11 beim Durchströmen des Strömungskanals 45 und durch Reibung der magnetisierbaren Partikel aneinander wird während des Durchströmens des Strömungskanals 45 eine Scherkraft auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension ausgeübt. Da die Scherung erfindungsgemäß in Gegenwart eines Magnetfeldes erfolgt, wird der den Spalt 3 ausbildende Strömungskanal 45 von einem Magnetfeld durchflössen. Hierzu sind jeweils der dem Spalt 3 gegenüberliegenden Seite der ersten Platte 9 erste Joche 33 und an der dem Spalt 3 gegenüberliegenden Seite der zweiten Platte 11 zweite Joche 35 von Magneten angeordnet. Die Magnete können ebenso wie bei der in Figur 1 dargestellten Scherzelle Permanentmagnete oder Elektromagnete sein. Die Joche 33, 35 sind jeweils so gepolt, dass sich zwischen zwei gegenüberliegenden Jochen 33, 35 ein Magnetfeld ausbildet. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass sich entlang des Strömungskanals 45 nur ein Magnet befindet, wobei das erste Joch 33 des Magneten an der ersten Platte 9 anliegt und das zweite Joch 35 des Magneten an der zweiten Platte 11. Weiterhin ist es jedoch auch möglich, dass mehrere Magnete nebeneinander angeordnet sind, wie dies in Figur 3.1 dargestellt ist. Hierbei ist es einerseits möglich, dass die ersten Joche 33 und die zweiten Joche 35 von benachbarten Magneten jeweils gleich gepolt sind, sodass das Magnetfeld über den gesamten Strömungskanal 45 gleich gerichtet ist. Alternativ ist es auch möglich, dass erste Joche 33 und zweite Joche 35 von benachbarten Magneten jeweils unterschiedlich gepolt sind, sodass das Magnetfeld alterniert und jeweils zwischen zwei benachbarten Magneten entgegenge- setzt gerichtet ist.
Um ein gleichmäßiges Magnetfeld im Strömungskanal 45 zu erhalten, ist es bevorzugt, wenn dieser einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, wie dies in Figur 3.2 dargestellt ist. Eine seitliche Begrenzung des Strömungskanals 45 wird hierbei durch Sei- tenwände 51 gebildet. Der Strömungskanal 45 weist vorzugsweise eine im Vergleich zur Breite nur geringe Höhe auf.
Ein kürzer ausgebildeter Strömungskanal 45 kann z. B. dann realisiert werden, wenn eine zusätzliche Scherung durch Bewegung einer Begrenzungswand erzielt wird. Dies ist z.B. dadurch möglich, dass die zweite Platte 1 1 , die die Oberseite des Strömungskanals 45 begrenzt, in Form eines umlaufenden Bandes ausgebildet ist. In diesem Fall kann sich die durch das umlaufende Band gebildete Begrenzung des Strömungskanals relativ zu der ersten Platte 9 bewegen. Eine zusätzliche Scherkraft wird ausgeübt. Weiterhin ist es auch möglich, dass sowohl die erste Platte 9 als auch die zweite Platte 1 1 bewegbar sind, wobei es bevorzugt ist, dass sich in diesem Fall die erste Platte 9 und
die zweite Platte 11 mit unterschiedlicher Geschwindigkeit oder in entgegengesetzter Richtung bewegen. Auch in diesem Fall ist es bevorzugt, wenn die erste Platte 9 und die zweite Platte 11 jeweils in Form eines Endlosbandes ausgebildet sind, die jeweils mindestens zwei Wellen umlaufen, durch welche die als Band ausgebildete erste Platte 9 und zweite Platte 1 1 angetrieben werden.
Neben der in den Figuren 3.1 und 3.2 dargestellten Ausführungsform, bei der der Strömungskanal 45 eine konstante Höhe über die gesamte Länge aufweist, ist es auch möglich, dass die Höhe des Strömungskanals 45 über die Länge variiert. So ist es z.B. möglich, dass die Höhe des Strömungskanals 45 über die Länge zunimmt oder abnimmt. Weiterhin ist es auch möglich, dass sich Abschnitte, in denen die Höhe des Strömungskanals 45 zunimmt und anschließend wieder abnimmt, abwechseln. Auch ist es z.B. möglich, dass die Platte 9 und die zweite Platte 11 , die den Strömungskanal 45 begrenzen, wellenförmig ausgebildet sind, sodass der Strömungskanal 45 wellenförmig verläuft. Auch ist es möglich, dass bei wellenförmig ausgebildeter erster Platte 9 und zweiter Platte 1 1 jeweils die Scheitelpunkte der Wellen gegenüberliegen, sodass eine stetige Zu- und Abnahme der Kanalhöhe erzielt wird. Auch ist jeder weitere, dem Fachmann bekannte Verlauf des Kanals denkbar, der von der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension durchströmt wird.
Das Verhältnis von Höhe zu Länge des Strömungskanals sowie die magnetische Flussdichte wird vorzugsweise so gewählt, dass im Kanal ein Druckabfall von mindestens 5 bar erzielt wird. Bevorzugt liegt der Druckabfall im Bereich von 10 bis 200 bar, insbesondere im Bereich von 50 bis 100 bar.
In Figur 4 ist ein Konditionierungssystem mit einem Strömungskanal gemäß den Figuren 3.1 und 3.2 dargestellt. Das Konditionierungssystem umfasst ebenso wie das in Figur 2 dargestellte Konditionierungssystem einen Vorratsbehälter 37, eine Zuleitung 39, einen Rücklauf 41 und eine Pumpe 43. Der Zulauf 39 ist mit dem Einlass 47 des Strömungskanals 45 verbunden. über die Pumpe 43 wird die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension aus dem Vorratsbehälter 37 in den Strömungskanal 45 gepumpt. Die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension verlässt den Strömungskanal über den Auslass 49 in den Rücklauf 41 , über den diese in den Vorratsbehälter 47 zurückläuft. Zur Konditionierung wird in den Strömungskanal 45 über die jeweils von den ersten Jochen 33 und zweiten Jochen 35 gebildeten Magneten ein Magnetfeld erzeugt. Eine hinreichende Konditionierung wird dadurch erzielt, dass die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension aus dem Vorratsbehälter 37 den Strömungskanal 45 mehrfach durchläuft.
Neben der Scherzelle mit Rotorplatte und dem Strömungskanal gemäß Figur 3.1 und 3.2 kann die Scherzelle auch weitere Formen annehmen, die sich eignen, eine Suspension zu scheren. Weitere geeignete Formen sind zum Beispiel Scherzellen mit Zylindergeometrie oder mit Extruderaufbau.
Eine Scherzelle mit Zylindergeometrie in einer ersten Ausführungsform ist in Figur 5 dargestellt.
Eine Scherzelle mit Zylindergeometrie 61 umfasst ein ortsfeste Gehäuse 63. Das orts- feste Gehäuse 63 umschließt einen rotierbaren Zylinder 65. Hierzu ist der Zylinder 65 mit einer Welle 67 verbunden, die das Gehäuse durchstößt. Die Welle 67 ist mit einem Antrieb verbunden.
Zwischen dem Zylinder 65 und dem ortsfesten Gehäuse 63 ist der Spalt 3 ausgebildet. über einen Einlasskanal 5 strömt die zu scherende magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension in den Spalt 3. Die Suspension durchströmt den Spalt 3 und tritt über den Auslasskanal 7 aus der Scherzelle 61 aus.
Erfindungsgemäß wird ein Magnetfeld 69 derart angelegt, dass die Feldlinien, die hier durch Pfeile symbolisiert sind, senkrecht zur Fließrichtung der Suspension im Spalt ausgerichtet sind. Zur Erzeugung des Magnetfeldes 69 ist es zum Beispiel möglich, das ortsfeste Gehäuse 63 mit einer Spule zu umgeben. Um ein gleichgerichtetes Magnetfeld zu erreichen ist es bevorzugt, ein Joch des Magneten außerhalb des Gehäuses und das zweite Joch des Magneten im Inneren des Zylinders 65 anzuordnen.
Damit die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension nur durch den Spalt 3 fließt, der den rotierbaren Zylinder 65 an seiner Oberfläche umgibt und damit ebenfalls zylinderförmig ausgebildet ist, ist der Spalt 3 an seinen Enden durch geeignete Dichtelemente 71 verschlossen. Hierdurch wird vermieden, dass magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension zwischen die Stirnflächen 73 des rotierbaren Zylinders 65 und das Gehäuse 63 gelangt.
In Figur 6 ist eine Scherzelle mit Zylindergeometrie in einer zweiten Ausführungsform dargestellt.
Die in Figur 6 dargestellte Scherzelle 61 unterscheidet sich von der in Figur 5 dargestellten Scherzelle dadurch, dass die Zufuhr der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension durch die Welle 67 erfolgt. Hierzu ist die Welle 67 als Hohlwelle ausgebildet. Zwischen der oberen Stirnfläche 75 des Zylinders 65 und dem Gehäuse 63 ist ein Spalt 77 ausgebildet, durch den die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension
strömt. Die Suspension strömt entlang dem Spalt 77 in den zylinderförmigen Spalt 3, der von dem Magnetfeld 69 durchflössen wird. An der der Welle 67 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 63 befindet sich der Auslasskanal 7. Alternativ ist auch eine umgekehrte Strömungsrichtung möglich. In diesem Fall wird die Suspension über den Auslasskanal 7 zugeführt und verlässt die Scherzelle 61 durch die Welle 67.
Damit die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension aus der als Hohlwelle ausgebildeten Welle 67 in den Spalt 77 gelangt ist in der Welle 67 mindestens ein Durchbruch 79 ausgebildet. Der Durchbruch 79 kann zum Beispiel eine Bohrung sein.
Ein Konditionierungssystem, das mit einer Scherzelle mit Zylindergeometrie betrieben wird, wie dies in den Figuren 5 bzw. 6 dargestellt ist, ist genauso aufgebaut wie ein Konditionierungssystem mit Scherzelle mit Rotorplatte bzw. mit Strömungskanal. Das heißt, bei dem in den Figuren 2 und 4 dargestellten Strömungssystem wird lediglich die dargestellte Scherzelle bzw. der dargestellte Strömungskanal durch die entsprechende Scherzelle mit Zylindergeometrie ersetzt.
In Figur 7 ist eine Scherzelle mit Extruderaufbau gezeigt.
Eine Scherzelle 81 mit Extruderaufbau, wie sie in Figur 7 dargestellt ist, wird insbesondere genutzt, um Partikel in hochviskosen Medien zu dispergieren.
Die Zugabe der einzelnen Komponenten der Suspension erfolgt entweder getrennt oder gemeinsam über einen Trichter 83. Wenn die Scherzelle 81 mit Extruderaufbau nicht zur Dispergierung der Partikel genutzt wird sondern nur zur Konditionierung wird die bereits magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension über den Trichter 83 zugegeben.
Die Scherzelle 81 mit Extruderaufbau umfasst ein ortsfestes Gehäuse 85, in dem eine Extruderschnecke 87 aufgenommen ist. Zwischen der Extruderschnecke 87 und dem Gehäuse 85 ist der Spalt 3 ausgebildet, der von der magnetisierbaren Partikel enthaltenden Suspension durchströmt wird und der zur Konditionierung von dem Magnetfeld 69 durchflössen wird.
Wenn die Scherzelle 81 mit Extruderaufbau zur Dispergierung von Partikeln in hochviskosen Medien eingesetzt wird, so erfolgt eine gleichzeitige Dispergierung und Konditionierung der Suspension, während diese die Scherzelle 81 mit Extruderaufbau durchströmt.
Damit das hochviskose Medium den Extruder durchfließt, ist die Extruderschnecke drehbar gelagert und wird über eine Welle 67 angetrieben. Das über dem Trichter 83 zugegebene Material wird mit Hilfe der Extruderschnecke 87 dem Spalt 3 entlang zum Auslasskanal 7 transportiert. Am Auslasskanal 7 tritt die fertig dispergierte und konditi- onierte magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension aus der Scherzelle 81 mit Extruderaufbau aus.
Das Anlegen des Magnetfeldes 69 bei der Scherzelle 81 mit Extruderaufbau erfolgt zum Beispiel entsprechend dem Anlegen bei der Scherzelle 61 mit Zylindergeometrie, in dem das Gehäuse 85 von einer Spule, die das Magnetfeld erzeugt, umschlossen wird. Alternativ ist auch eine Anordnung von Permanentmagneten auf oder in der Zylinderwandung und/oder der Schnecke möglich.
Ein Konditionierungssystem, in dem eine Scherzelle 81 mit Extruderaufbau eingesetzt wird, ist ebenfalls aufgebaut entsprechend dem Konditionierungssystem mit Scher- zell 1 mit Rotorplatte bzw. mit Strömungskanal, wie diese in den Figuren 2 und 4 dargestellt sind, wobei die Scherzelle 1 mit Rotorplatte bzw. der Strömungskanal durch die Scherzelle 81 mit Extruderaufbau ersetzt wird.
Wenn die Scherzelle 81 mit Extruderaufbau zur Dispergierung von Partikeln in hochviskosen Medien eingesetzt wird, so ist es alternativ auch möglich, dass die Ausgangsmaterialien aus Vorratsbehältern über den Trichter 83 zugegeben werden und die fertig dispergierte und konditionierte Suspension, die über den Auslasskanal 7 ausströmt in ein weiteres Reservoir geführt wird. Es ist möglich, die im Reservoir ent- haltene Suspension über den Trichter 83 in den Extruder zuzuführen, in diesem Fall wird jeweils ein Teil der bereits dispergierten Suspension mit den Ausgangsmaterialien im Extruder gemischt. Alternativ ist es auch möglich, die Suspension in einer weiteren Scherzelle weiter zu konditionieren.
Beispiele
Für die folgenden Beispiele wird eine Suspension eingesetzt, die 90 Gew.-% Carbonyl- eisenpulver, 9,05 Gew.-% Poly-α-Olefin, 0,45 Gew.-% modifiziertes Attapulgit (Attagel 50 der Fa. Engelhard, modifiziert mit Arquad C2-75 der Fa. Akzo-Nobel) und 0,5 Gew.- % Alkydharz enthält.
Vergleichsbeispiel
Eine Scherzelle, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, mit einer Spalthöhe von 2 mm und einem Außendurchmesser der Rotorplatte von 300 mm wird ohne Anlegen eines Mag-
netfeldes zur Konditionierung einer magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension betrieben. Die Drehzahl der Rotorplatte 15 beträgt 400 1/min. Die auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension ausgeübte Schubspannung beträgt 1 ,1 kPa bei einer Scherrate von 6283 1/s. Bei einem gewünschten Energieeintrag von 3e10 J/m 3 ergibt sich für ein Suspensionsvolumen von 10 Litern eine Konditionierungszeit von 22,8 h.
Beispiel 1
An die Scherzelle aus dem Vergleichsbeispiel wird ein Magnetfeld von 0,5 T angelegt. Die Rotorplatte wird mit einer Drehzahl von 35 1/min betrieben. Auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension wirkt eine Schubspannung von 25,4 kPa bei einer Scherrate von 550 1/s. Der Energieeintrag von 3e10 J/m 3 wird nach einer Konditionierungszeit von 1 1 h bei einem Produktionsvolumen von 10 Litern erzielt. Es ist zu er- kennen, dass durch das Anlegen des Magnetfeldes für einen identischen Energieeintrag eine sehr viel kürzere Scherzeit bei deutlich reduzierter Scherrate erzielt werden kann.
Beispiel 2
Es wird eine Scherzelle, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, eingesetzt. Der Außendurchmesser der Rotorplatte beträgt 150 mm und die Höhe des Spaltes 1 mm. Die Rotorplatte wird mit einer Drehzahl von 35 1/min betrieben. Auf die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension, die den Spalt durchströmt, wirkt eine Schubspannung von 25,5 kPa bei einer Scherrate von 550 1/s. Bei einem Volumendurchsatz von 0,11 l/h und einem Gesamtvolumen der magnetisierbare Partikel enthaltenden Suspension von 10 I ergibt sich eine Konditionierungsdauer von 87,7 h, um einen Energieeintrag von 3e10 J/m 3 zu erzielen.
Wenn die Konditionierung, wie in den Beispielen 1 und 2 durchgeführt, in Gegenwart eines Magnetfeldes erfolgt, zeigt sich nach einer Lagerzeit von 20 Tagen eine um Faktor 5 reduzierte Arbeit für die Redispergierung.
Beispiel 3
Es wird eine Konditionierung in einem Strömungskanal, wie er in Figur 3 dargestellt ist, durchgeführt. Hierzu wird ein Strömungskanal mit einer Spalthöhe von 2 Millimetern und einer Länge von 1200 Millimetern eingesetzt. Das von den Spalt umschließenden Magneten erzeugte Magnetfeld beträgt ungefähr 0,5 T. Um einen Energieeintrag von 3e10 J/m 3 zu erzielen, muss die magnetisierbare Partikel enthaltende Suspension den
Kanal bei einem Druckabfall von 300 bar 1000 mal durchströmen. Bei einem Druckabfall von nur 30 bar ist dem gegenüber eine Zahl der Durchläufe von 10.000 notwendig.
Bei einer Breite des Spaltes von 20 Millimetern, einer Höhe von 2 Millimetern und einer Kanallänge von 1200 Millimetern ergibt sich bei einem Gesamtvolumendurchsatz von 10 I in 24 Stunden bei einer tausendmaligen Durchströmung des Spaltes eine Scherrate von 8700 1/s.
Beispiel 4
Es wird eine Scherzelle eingesetzt, die sich von der in Figur 1 dargestellten Scherzelle dahingehend unterscheidet, dass sich die Rotorplatte zwischen zwei parallel angeordneten Statorplatten befindet. Diese Scherzelle weist also zwei Scherspalte auf, einen oberhalb, den anderen unterhalb der Rotorplatte. Rotor- und Statorplatten sind koaxial angeordnet, das Einbringen eines Magnetfeldes in die Scherspalte erfolgt durch zwei ober- und unterhalb der Statorplatten angeordnete Permanentmagnete oder Elektro- magnete. Diese haben eine zentrale Bohrung zur Durchführung der Antriebswelle auf die Rotorplatte. Die Statorplatten haben einen maximalen Durchmesser von 40 mm, die Rotorplatte einen Radius von 19 mm. Im Bereich der Antriebsachse ist die Rotorplatte gegen die Statorplatten abgedichtet und gelagert. Die resultierenden Scherspalten weisen daher einen minimalen Radius von 5 mm und einen maximalen Radius von 19 mm auf. Die Höhe beider Scherspalte beträgt jeweils 1 mm. Die Scherzelle wird typischerweise bei einer Drehzahl von 100 U/min betrieben, die maximale Scherrate in den Spalten resultiert daraus zu 200 1/s. Eine magnetorheologische Flüssigkeit wurde in dieser Zelle bei einem resultierenden Drehmoment von 0,9 Nm geschert, das an der Rotorachse gemessen wurde. Das Reibungsmoment der Dichtungen ist bereits herausgerechnet. Bei der gegebenen Drehzahl und dem resultierenden Drehmoment wird ein spezifischer Energieeintrag von 3e10 J/m 3 nach 1 ,8 Stunden erreicht. Der Leis- tungseintrag beträgt in diesem Fall 10 Watt. Für die Konditionierung größerer Volumina ist die Scherzelle entsprechend oft zu befüllen.
Wenn die Konditionierung, wie in Beispiel 4 durchgeführt, in Gegenwart eines Magnetfeldes erfolgt, zeigt sich nach einer Lagerzeit von 20 Tagen eine um Faktor 5 reduzier- te Arbeit für die Redispergierung.
Bezugszeichenliste
1 Scherzelle 77 Spalt
3 Spalt 79 Durchbruch
5 Einlasskanal 81 Scherzelle mit Extruderaufbau
7 Auslasskanal 83 Trichter
9 Erste Platte 85 Gehäuse
1 1 Zweite Platte 87 Extruderschnecke
13 Statorplatte
15 Rotorplatte
17 Oberfläche der Statorplatte 13
19 Oberfläche der Rotorplatte 15
21 Rotorachse
23 Drehachse
25 Gehäuse
27 Durchbruch
29 Dichtelement
31 Zweites Dichtelement
33 Erstes Joch
35 Zweites Joch
37 Vorratsbehälter
39 Zuleitung
41 Rücklauf
43 Pumpe
45 Strömungskanal
47 Einlass
49 Auslass
51 Seitenwand
61 Scherzelle mit Zylindergeometrie
63 ortsfestes Gehäuse
65 Zylinder
67 Welle
69 Magnetfeld
71 Dichtelement
73 Stirnfläche des Zylinders
75 obere Stirnfläche des Zylinders