Artikel Die Wirbelschichttechnologie und ihre Möglichkeiten

Über Jahrmillionen hat sich der Haifisch optimal an seinen Lebensraum angepasst. Die rillenförmige Oberfläche seiner Schuppen reduziert seinen Strömungswiderstand und ermöglicht Geschwindigkeiten bis zu 80 km/h. Diese Wirkung will man heute für die Senkung des Kraftstoffverbrauches bei Flugzeugen und Tankern nutzen. Eine Lackschicht, vergleichbar der Haifischhaut, kann Verwirbelungen und Strömungsabrisse vermindern und damit Energie einsparen. Bei Schiffen wird der Strömungswiderstand durch das Fouling (Ablagerung von Algen und Muscheln) erhöht. Anstriche mit superhydrophoben Strukturen wie bei der Lotusblume erschweren das Anhaften von Schmutzpartikeln und unterstützen die Reinigung des Schiffrumpfes während der Fahrt.

Maßgeschneiderte Leistungsfähigkeit ist aber nicht nur im großtechnischen Bereich gefragt. Auch mikroskopisch kleine Partikel erhalten spezifische Eigenschaften durch eine Beschichtung mit funktionalen Stoffen. Typische Anwendungen sind Additive mit definierter Performance im Bereich Wasch- und Reinigungsmittel. So wird durch den Auftrag von Zeolithen und anderen Katalysatoren auf einen Träger eine aktive Oberfläche erzeugt und gleichzeitig gegenüber Vollkatalysatoren wertvolle Aktivsubstanz eingespart. Verschiedene Einzelkomponenten in einem Gemisch können miteinander reagieren und verlieren  so mit der Zeit an Aktivität. Technologische Hilfsstoffe, die beispielsweise für die Vernetzungen von Polymeren eingesetzt werden, müssen während des Prozesses häufig zu einem bestimmten Zeitpunkt im Prozess freigesetzt werden. Viele dieser Anforderungen können durch entsprechende Filmüberzüge gelöst werden. Die so entstandenen „Convenience-Produkte" vereinfachen die Anwendung für den Verbraucher und reduzieren Kosten für aufwendige Handlingprozesse.

Von der Idee zum Hightech-Produkt

Für die Umsetzung einer Idee zum Hightech-Produkt ist das Zusammenspiel von Formulierung und Technologie gefordert. Soll beispielsweise eine Komponente zu einem bestimmten Zeitpunkt im Prozess zur Verfügung stehen, so muss der Initiator der Freisetzung exakt definiert werden. Für Anwendungen, die meist im wässrigen Milieu ablaufen, muss das Teilchen mit einer vollständigen und in der Flüssigkeit stabile Hülle versehen sein. Die Freisetzung kann dann über die Schichtdicke zeitabhängig oder durch bestimmte Trigger, etwa eine pH-Wert oder Temperaturänderung, erfolgen. Bei dispersen Feststoffen wie Pulvern oder Granulaten sind Technologien gefragt, die eine Beschichtung einzelner Mikropartikel ermöglichen. Ein besonders geeignetes Verfahren ist die Wirbelschicht, da die Teilchen durch gleichmäßige Fluidisierung in einem Gasstrom in Schwebe gehalten werden. Der bekanntermaßen hohe Stoff- und Energieaustausch im Fließbett ermöglicht das homogene Auftragen des Beschichtungsmaterialsmaterials auf die vereinzelten Teilchen und das gleichzeitige effektive Abtrocknen des Lösemittels. Die Funktionalität des Films und damit die Leistungsfähigkeit des Endprodukts wird durch die stofflichen Eigenschaften des Coatingmaterials und seine Vernetzung bestimmt. Häufig werden wässrige Lösungen von organischen Polymeren, wie wie Polyvinylalkoholen, Metacrylaten oder Cellulosederivaten, eingesetzt.

Die Filmqualität wird nicht ausschließlich von den verwendeten Polymeren beeinflusst. Für eine robuste Formulierung müssen auch die zu beschichtenden Ausgangsstoffe zu spezifiziert werden. Eine regelmäßige Partikelform und Oberflächengüte sowie eine enge Korngrößenverteilung sind die Voraussetzung für die Ausbildung eines homogenen Films mit gleichmäßiger Schichtdicke und damit einer konstanten, reproduzierbaren Performance des Produktes.

Was passiert auf der Oberfläche eines Teilchens in der Coatingzone?

Für die Entwicklung eines gecoateten Produktes ist nicht nur die Auswahl des richtigen Verfahrens und geeigneter Ausgangsstoffe entscheidend, sondern das optimale Zusammenwirken der Formulierung und der Prozessparameter. Der Coatingprozess ist ein Austarieren der Verdampfungsleistung, resultierend aus dem Volumenstrom, der Produkttemperatur und der Sprührate. Letztere ist zusammen mit Zerstäubungsdruck und Zerstäubungsluftmenge verantwortlich für die gleichmäßig feine Tröpfchenbildung aus der Sprühlösung. Sind die Sprühtropfen zu groß oder die Sprühraten zu hoch, entsteht ein Überfeuchten der Oberfläche, und die Teilchen agglomerieren. Die Klebrigkeit vieler Coatingmaterialien unterstützt diesen Effekt zusätzlich. Zu feine Tröpfchen hingegen werden von der Prozessluft mitgerissen und als sprühgetrocknetes Pulver in den Anlagenfilter ausgetragen und gehen so dem Coatingprozess verloren.

Für eine optimale Filmbildung spielt bei der Formulierung die Viskosität der Sprühlösung eine wichtige Rolle. Die Tröpfchen müssen die Oberfläche benetzen und in dünnen Schichten einen geschlossenen Film aufbauen. Ist die Viskosität zu hoch, setzen sich die Tröpfchen auf der Oberfläche ab und hinterlassen nach dem Trocknen einen unregelmäßigen und porösen Film. Da das Quellverhalten stoffspezifisch ist, sollte bei der Auswahl des Polymers auf eine niedrige Viskosität bei gleichzeitig hohem Feststoffgehalt der Lösung geachtet werden. Für viele Polymere, zum Beispiel modifizierte Cellulosen, liegt der maximale Feststoffanteil in einer wässrigen Lösung bei 10 bis 15 % und führt schnell zu langen Sprühzeiten von mehreren Stunden. Die damit verbundenen Herstellkosten sind für viele Produkte nicht tragbar. Hier können hochkonzentrierte Salzlösungen oder auch Schmelzen von Fetten und Wachsen eine kostengünstigere Alternative bieten.

Coaten in der Wirbelschicht - Verfahrensoptionen

Neben dem Erreichen einer optimalen Teilchenbewegung ist bei Coatingprozessen in der Wirbelschicht das Verhältnis von Auftrags- und Filmbildungsgeschwindigkeit zu beachten. Je nach Auswahl der Anlagentechnik - Top- oder Bottomspray-Verfahren - entstehen sehr unterschiedliche Filmqualitäten. Während im Topspray-Verfahren die Coatinglösung aus einer Düse gegen die Luftströmung auf das Wirbelbett gesprüht wird, bewegen sich die Partikel beim Bottomspray-Verfahren durch das sogenannte Wursterrohr im Gleichstrom an der Düse vorbei. Besonders beim Beschichten sehr kleiner Partikel ist das Topspray-Verfahren limitiert, da das Prozessfenster zwischen Agglomeration und Sprühtrocknung enger wird. Mit dem Bottomspray-Verfahren hingegen können noch feine Partikel um 100 µm singulär gecoatet werden. Durch das regelmäßige Passieren der Düse wird ein homogenes Benetzen der Teilchen erreicht, während gleichzeitig die hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Düse die Agglomeration einzelner Partikel vermeidet. Beim Wiedereintritt in das Downbed ist die Oberfläche bereits abgetrocknet und nicht mehr klebrig. Die im Wurster eingesetzten Düsen arbeiten zudem mit deutlich höheren Zerstäubungsluftmengen als Topspray-Düsen, so dass sehr hohe Sprühraten realisiert werden können.

Last but not least - die Überprüfung der Funktionalität

Das Überprüfen der Funktionalität des Coatings in der späteren Anwendung ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklungsphase. Um die verschiedenen Formulierungen und Muster zu vergleichen, ist daher ein Analysenverfahren notwendig, das die spätere Anwendung widerspiegelt. Hier kommen alternative Methoden wie mikroskopische Aufnahmen, Trübungsmessungen oder pH-Wert-Veränderungen zum Einsatz. Die Entwicklung einer entsprechenden Methode zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit kann durch die zeitnahe Analyse der Proben eine effektivere Versuchsplanung und -durchführung ermöglichen und Kosten einsparen.n

Entscheider-Facts
Für Anwender

• In der Wirbelschicht lassen sich unterschiedlichste Verfahren realisieren, die auf eine Änderung der physikalischen Eigenschaften der verarbeiteten Produkte zielen.
• Der ausgezeichnete Stoffaustausch und Wärmeübertragung und die damit verbundenen Trocknungseigenschaften führten schnell zur Entwicklung weiterer Verfahren wie etwa der Sprühgranulation oder der Agglomeration.
• Beim Coaten werden die einzelnen Partikel mit einer Schicht überzogen, die dem Produkt seine spezifische Funktionalität gibt.
• Je nach Auswahl der Anlagentechnik - Top- oder Bottomspray-Verfahren - entstehen sehr unterschiedliche Filmqualitäten.

Achema 2012 Halle 3.0 - F1

Autor: Gudrun Ding, Marketingleiterin IPC Process-Center
Ausgabe:06/2012 Juni