• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Kemiteknik01. 08. 2018 | Katrine Meyn

Kortlægning af mekanismer for pigmentdispergering

Kemiteknik01. 08. 2018 By Katrine Meyn

I malingsproduktion anses dispergering af pigmenter normalt for at være den vanskeligste og mest energikrævende enhedsoperation. Alligevel findes der ikke ret meget konkret viden om dispergeringsmekanismer. En matematisk model for det mekaniske separationstrin, hvor agglomerater rives fra hinanden, er udviklet og sammenlignet med eksperimentelle dataserier for to organiske pigmenter.

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2018 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Læs originalartiklen her

Af Søren Kiil, The Hempel Foundation Coatings Science and Technology Centre (CoaST), DTU Kemiteknik

Pigmenter til maling er organiske eller uorganiske partikler, der fremstilles med en udvalgt gennemsnitsdiameter og partikelstørrelsesfordeling. Det hvide pigment, titaniumdioxid (TiO2), har f.eks. en partikelstørrelse på omkring 200 nm, hvor dækkeevnen i maling er maksimal. Så små partikler tiltrækker imidlertid nabopartikler med fysiske van der Waals kræfter og danner agglomerater, som giver ringere malingsegenskaber. Derfor kræver malingsproduktion, at pigmenterne dispergeres [1].
Dispergeringsprocessen – der kan foregå i apparaturer som kuglemøller eller turbineomrørere – er kompleks, og består af tre trin, som vist i figur 1: binderbefugtning af pigmentoverfladen, mekanisk nedbrydning af agglomeraterne, og stabilisering af enkeltpartikler (eller meget små agglomerater), så de ikke re-agglomererer [2]. En effektiv produktion har lavt energiforbrug og kort dispergeringstid.
I praksis bruger malingsproducenten en såkaldt riveklods til at sikre sig, at de største agglomerater er revet til under en kritisk værdi. Det er dog også muligt i moderne produktion, ved brug af laserdiffraktionsapparater, at følge, hvordan partikelstørrelsesfordelingen udvikler sig over tid og dermed opnå et mere detaljeret indblik i dispergeringsprocessen.
Formålet med arbejdet har været at udvikle en matematisk model, der i detaljer beskriver, hvordan den mekaniske nedbrydning af agglomerater foregår. Simuleringer af partikelstørrelsesfordelingens udvikling over tid er sammenlignet med eksperimentelle data.

Dispergeringsmekanismer
Basalt set findes der to mulige mekanismer for den mekaniske nedbrydning af pigmenter. Den ene, hvor agglomeratet skrumper over tid på grund af overfladeerosion, er vist i figur 2. Her kan enkeltpartikler eroderes væk eller det kan være små agglomerater, som rives af det store agglomerat. En anden mulighed er, at agglomeratet falder fra hinanden, og danner to, tre eller flere mindre agglomerater (ikke vist). Begge mekanismer kan i princippet være vigtige for en given dispergeringsproces.

Måling af dispergeringsforløbet
Det er en praktisk udfordring at følge partikelstørrelsesfordelingen gennem dispergeringsprocessen. Man kan bruge elektronmikroskopi og billedbehandling eller laserdiffraktionsmålinger. Den første mulighed er nøjagtig, men tidskrævende, og data svære at tolke; metoden er ikke egnet til daglig brug i malingslaboratoriet. Den sidstnævnte metode er hurtig, men kræver stor fortynding af prøven i solvent, hvorved partiklerne kan miste deres stabilisering (”solventchok”). I forsøgene, der præsenteres nedenfor, blev anvendt laserdiffraktion, men i stedet for solvent blev målingerne foretaget i en binder/solvent-blanding, som forhindrer re-agglomerering af den dispergerede prøve.

Matematisk modellering
Hovedformålet med arbejdet har været at udvikle en matematisk model, som kan estimere, hvordan partikelstørrelsesfordelingen udvikler sig over tid. Med en sådan model kan man undersøge, hvilket hastighedsudtryk dispergeringen følger. Den detaljerede beskrivelse af modellen og dens eksperimentelle verificering kan findes i [3], her vil kun blive givet en meget kort gennemgang.
De vigtigste modelantagelser er:
• Dispergeringen udføres som en batchproces.
• Kun en pigmenttype ad gangen (ikke blandinger).
• Agglomerater forefindes, men ingen aggregater (som sidder sammen med kemiske i stedet for fysiske bindinger).
• Alle agglomerater og erosionsfragmenter er kugleformede, og holdes sammen med den samme kraft.
• Mekanismen for agglomeraternes reduktion i størrelse er udelukkende overfladeerosion (som vist i figur 1).
• Fragmenterne, som dannes, fordeler sig størrelsesmæssigt svarende til en Weibull-fordeling.

Modellen består i store træk af en populationsbalance, som holder styr på partikelstørrelsesfordelingen og en række hjælpeligninger, der beskriver systemet og startbetingelserne. Derudover skal der bruges et hastighedsudtryk; her er valgt en n’te ordens afhængighed af erosionshastigheden:

Her indsættes ligning (1)

hvor dp,j er den aktuelle diameter af et agglomerat, kd er en hastighedskonstant og t er tiden. Parameteren n må kun antage værdierne 0, 1, 2 eller 3. Begge parametre, kd og n, bestemmes ved tilpasning af simuleringer med modellen til eksperimentelle data, som beskrevet nedenfor. For at opnå konvergens i beregningerne skal der bruges 70 diskretiseringspunkter for partikeldiameteren (dvs. indeks j løber fra 1 til 70).

Simuleringer af middeldiameteren
To slags organiske pigmenter, dispergeret i en lavviskøs nitrocellulose/ethanol blanding i en kuglemølle, blev anvendt til validering af den matematiske model. Her vises resultater for det ene system: pigmentgult 13 med typebetegnelsen B3L.
I figur 3 ses det, hvordan den simulerede middeldiameter ændrer sig over tid, når de to modelparametre varierer. For n=0 er erosionshastigheden den samme for alle agglomerater, mens n=1, 2 og 3 svarer til henholdsvis en diameter-, en overflade-, og en volumenafhængighed af erosionshastigheden, ligning 1. Hastighedskonstanten kd kan variere frit, men skal være den samme for alle partikelstørrelser.
Det ses, at for n=0 og n=1 er der store afvigelser imellem simuleringer og eksperimentelle data; til at begynde med er de simulerede værdier for høje og ved lange dispergeringstider er den asymptotiske middelværdi forskellig. For n=3 er der bedre overensstemmelse, mens overensstemmelsen for n=2 er tæt på at være perfekt i lyset af de eksperimentelle usikkerheder (som ikke fremgår af figuren). Erosionshastigheden er altså proportional med det eksterne overfladeareal af agglomeraterne. Det er ny viden, som kan udnyttes i f.eks. design af nye dispergeringsapparater.

Simuleringer af partikelstørrelsesfordelingen
I figur 4 og 5 er vist, hvordan den fulde partikelstørrelsesfordeling (PSF) ændrer sig over tid, når n=2 anvendes i simuleringerne. Bemærk den logaritmiske x-akse, som betyder, at agglomeratdiametrene varierer over tre størrelsesordener. Det ses i figur 4, hvor øjebliksbilleder efter fem og femten timer er simuleret, at der er god overensstemmelse imellem simuleringer og eksperimentelle data for diametre i intervallet 10 til 100 µm. Under 10 µm er der mindre god overensstemmelse. Modsat for figur 5, hvor det forholder sig omvendt.
Det er interessant, at, trods den gode overensstemmelse i figur 3 for middeldiameteren, kan de fulde PSF’er ikke beskrives kvantitativt. Det skyldes, at middeldiameteren kun er lidt følsom overfor afvigelser i de små agglomeratdiametre. Rent fysisk kan forskellene for korte tider forklares med, at der kan være store agglomerater, som er så løst forbundne, at de simpelthen falder fra hinanden, så snart partikelpulveret kommer ned i binder/solvent-blandingen. I modellen derimod er det antaget, at alle agglomerater har samme fysiske sammenhængskraft. Forskellen efter lange tider, figur 5, hvor simuleringen ”overhaler” de eksperimentelle dataserier, kan også forklares med antagelsen om sammenhængskraften. I forsøgene kan ”kernen” af nogle af agglomeraterne have en særlig stor sammenhængskraft, der gør, at de ikke eroderes yderligere, uanset hvor lang opholdstid, der anvendes.

Konklusion
En matematisk model, som kan simulere den mekaniske rivning af pigmentagglomerater, er udviklet. For de to organiske pigmenter, der blev undersøgt, viste erosionshastigheden sig at være proportional med agglomeraternes overfladeareal. Fremtidigt arbejde vil involvere uorganiske pigmenter (f.eks. TiO2) og kortlægge, hvordan hastighedskonstanten for erosionshastigheden afhænger af typen af dispergeringsproces, dispergeringsadditiver mv.

For en uddybende beskrivelse af emnet henvises til nedenstående referencer.

Tak til Hempel Fonden for støtte til forskningsarbejdet.

Referencer
1. Winkler, J., Dispersing pigments and fillers, Hannover, Germany, Vincentz, 2012.
2. Kontogeorgis, G., Kiil, S. Introduction to applied colloid and surface chemistry, Wiley (USA), 2016.
3. Kiil, S., Mathematical modeling of pigment dispersion taking into account the full agglomerate particle size distribution, J. Coat. Technol. Res., 14(1) 69–84 (2017).

Skrevet i: Kemiteknik

Seneste nyt fra redaktionen

Supporting chemical thermodynamics:

Artikler fra Dansk KemiKemiteknikTop04. 05. 2026

The role of infrared spectroscopy The use of molecular vibrations to probe structure in hydrogen bonding liquids. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) By Evangelos Drougkas, Georgios

Aminosyrer til folk og fæ – hvad er egentlig ”L-cystin”?

Artikler fra Dansk KemiHistorisk kemiTop29. 04. 2026

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) I forbindelse med EU-forordninger om fodertilsætningsstoffer (jf. Appendiks) fik Nomenklaturudvalget en forespørgsel fra en oversætter i EU om

Kemiens etik:

Artikler fra Dansk Kemi22. 04. 2026

Et overset felt med voksende betydning Kemisk forskning og teknologi påvirker i stigende grad sundhed, miljø og samfund. Derfor er der behov for større opmærksomhed på kemiens etiske dimensioner i både forskning, undervisning og faglige organisationer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr.

Polycykliske aromatiske kulbrinter – multi-redox systemer

Artikler fra Dansk Kemi22. 04. 2026

Kombinationen af polycykliske aromatiske kulbrinter og den organiske svovlforbindelse tetrathiafulvalen giver nye multi-redox systemer. De har potentiel anvendelse inden for materialekemien som elektrisk ledende materialer, elektrokrome materialer eller som komponenter i batterier. Artiklen har

Physical Unclonable Functions

Artikler fra Dansk KemiNanoteknologi22. 04. 2026

Fremtidens sikkerhedsløsninger baserer sig på tilfældige mønstre. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Thomas Just Sørensen, Nano-Science Center og Kemisk Institut, Københavns

Ozon i den arktiske troposfære

Artikler fra Dansk KemiKlima og miljø22. 04. 2026

Ozon (O3) i atmosfæren er en vigtig klimagas – desuden er den giftig for dyr og mennesker samt skadelig for planter. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Henrik Skov, Claus

Stratosfærisk ozon

Artikler fra Dansk KemiKlima og miljø22. 04. 2026

En status. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Ole John Nielsen, Kemisk Institut, Københavns Universitet Stratosfærisk ozon har været vigtig for livets udvikling og beståen på

Ti, Mo, Cs, Pr, Nd – hvad har disse fem til fælles?

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi21. 04. 2026

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Kemisk Forenings Nomenklaturudvalg (KFNU) i dets nuværende inkarnation daterer sig fra 1940. Udvalgets første større bedrift var i 1952 at nedkomme med

To naturfagslærere fra slutningen af 1800-tallet

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi13. 04. 2026

Naturvidenskab kom ind i latinskolen – den lærde skole – i midten af 1800-tallet. Hvad var det for lærere, der underviste i naturvidenskab i den lærde skole og realskolen? Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger

CleanCloud målekampagne i Nordøstgrønland

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø06. 04. 2026

CleanCloud er et EU-finansieret forskningsprojekt, hvor der blandt andet er udført to målekampagner på Villum Research Station (VRS) på Station Nord i Nordgrønland, med det formål at undersøge, hvordan partikler og skyer interagerer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Kem-En-Tec Nordic

    Optimér din ELISA med TMB-holdet

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions introducerer COMBI WVD-vakuum booster pumpe enhed

  • Kem-En-Tec Nordic

    Opnå rent DNA/RNA på få minutter og på bæredygtig vis!

  • DENIOS ApS

    Hvordan bortskaffer du lithiumbatterier?

  • MD Scientific

    EcoSEC Elite® GPC System

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Gør drikkevandsanalyse enkel, hurtig og pålidelig – nu med 20% i rabat

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Design af vakuumprocesser for øget effektivitet – fire vigtige overvejelser

  • DENIOS ApS

    Vil du have et opslagsværk til arbejdssikkerhed og miljøbeskyttelse?

  • DENIOS ApS

    Må du opbevare to forskellige stoffer på det samme opsamlingskar?

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions introducerer CenterLine CNR-serien

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Supporting chemical thermodynamics:

    04.05.2026

  • Aminosyrer til folk og fæ – hvad er egentlig ”L-cystin”?

    29.04.2026

  • Kemiens etik:

    22.04.2026

  • Polycykliske aromatiske kulbrinter – multi-redox systemer

    22.04.2026

  • Physical Unclonable Functions

    22.04.2026

  • Ozon i den arktiske troposfære

    22.04.2026

  • Stratosfærisk ozon

    22.04.2026

  • Ti, Mo, Cs, Pr, Nd – hvad har disse fem til fælles?

    21.04.2026

  • To naturfagslærere fra slutningen af 1800-tallet

    13.04.2026

  • CleanCloud målekampagne i Nordøstgrønland

    06.04.2026

  • Svensk opfinder af pengeseddelautomaten har doneret over 538 mio. SEK til demensforskning

    25.03.2026

  • Svampe giver køerne kamp til stregen, når det kommer til produktion af mælkeprotein

    11.03.2026

  • Strontium understøtter tandemaljens robusthed – men hvordan?

    04.03.2026

  • Hvad sker der på spildevandsanlægget, når ”det pisser ned”?

    25.02.2026

  • ISO 13391 og ISO 25078

    18.02.2026

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik