• 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

Enzymet glucoseoxidase – en status i 100-året for Detlev Müllers opdagelse

Artikler fra Dansk KemiHistorisk kemiTop29. 10. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Jens Ulstrup1, Xinxin Xiao2, Adam Heller3 og Ture Damhus41 Institut for Kemi, Danmarks Tekniske Universitet2 Institut for Kemi og Biovidenskab,

Vil du stå i spidsen for et af Danmarks ældste fagblade – Dansk Kemi søger ny redaktør

Organisk kemi21. 10. 2025

Da vores redaktør, Hanne Christine Bertram, stopper, søger vi en redaktør til et af Danmarks ældste fagtidsskrifter, Dansk Kemi. Dansk Kemi bringer aktuel og dybdegående information om kemien og dens udvikling inden for industri, forskning og uddannelse. Bladet er desuden medlemsblad for Kemisk

Hvad laver lermineralet vermiculiti laboratoriet?

AktueltArtikler fra Dansk Kemi21. 10. 2025

I 2023 kom ler for alvor i medierne, da der skete et voldsomt jordskred i Ølst Bakker ved Randers. Siden 1950'erne er der i området gravet ler til Leca-kugler, som blandt andet bruges til dræn og (sammen med beton) til isolering. Faktisk bliver mange lermineraler brugt til forskellige kommercielle

Er kokain protoneret, når det binder til dopamintransporteren?

AktueltArtikler fra Dansk KemiMedicinalkemi17. 10. 2025

Vi har undersøgt, hvordan pH-forholdene er, når lægemidlet binder til dets vigtigste target. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Marie Louise Gram og Mikael Bols, Kemisk Institut,

Både Techmedia og mange fagfolk vil savne Marianne Dieckmann

Branchenyt15. 10. 2025

Det er med stor sorg, at vi må fortælle, at vores hjertevarme og altid positive kollega – og ven – Marianne Dieckmann (61) ikke er hos os i denne verden længere. Marianne gik for nyligt bort efter i flere år at have kæmpet mod en kræftsygdom, som hun dog hverken lod forlag eller vores mange kunder

Chr. Hansen A/S, osteløbe og teknologispring

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi06. 10. 2025

– en virksomhed, der har en historie med mange facetter. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Kurt Jacobsen, dr.phil. Den 29. januar 2004 fusionerede de to danske virksomheder,

Fra forskning i nanosikkerhed til mere sikker håndtering af nanomaterialer i arbejdsmiljøet

AktueltArbejdsmiljø/IndeklimaArtikler fra Dansk Kemi29. 09. 2025

NFA har udgivet en videnskabelig artikel om NFA's samfundsmæssige aftryk på kemiområdet. Den beskriver, hvordan forskning i nanosikkerhed er omsat til mere sikker håndtering af nanomaterialer på arbejdspladser i Danmark. Det skete i tæt dialog mellem forskere, Arbejdstilsynet og arbejdsmarkedets

Sulfitter. Sulfo. Sulfonater og sulfater. Sulfa. Sulfy. Sulfider. Sulfan

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi22. 09. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Hvad er fælles for indholdet af de to flasker på billedet? Der er svovlforbindelser i begge, og i begge giver de pågældende forbindelser lidt

Jubilæumsudgaven af Labdays i Aarhus er kommet godt fra start

BranchenytTop10. 09. 2025

Lige fra morgenstunden stod de første besøgende klar til at komme ind på LabDays messen, der i år afholdes i smilets by, Aarhus. Her kunne de finde oplagte udstillere, der gennem messens to dage står klar til at præsentere deres produkter, der inkluderer alt indenfor laboratorieverdenen. Der ud

Kvantealgoritmer og kemisk forståelse i åbne systemer

AktueltArtikler fra Dansk Kemi03. 09. 2025

Fra myten om den heroiske beregning til realistiske simuleringer af elektronoverførsel i åbne systemer med hukommelse. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Lea K. Northcote1,2 og

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





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

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    Sådan håndterer du en lækage med 10 trin

  • MD Scientific

    SkillPak BIO færdigpakkede kolonner til kromatografiapplikationer

  • Holm & Halby

    Fryserseminar – ULT

  • Busch Vakuumteknik A/S

    50 års trofast tjeneste i produktionen

  • Holm & Halby

    Bestil vores gratis 2026 kalendere 

  • Holm & Halby

    Vi afholder Fermenteringsseminar på BII

  • DENIOS ApS

    Alt hvad du skal vide, før du håndterer farlige stoffer

  • Holm & Halby

    Servicetekniker til LAF, sikkerhedskabinetter og renrum

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Øget produktivitet på mejeriet takket være vakuum fra Busch

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Du inviteres til den årlige Opentrons Super-bruger dag

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Enzymet glucoseoxidase – en status i 100-året for Detlev Müllers opdagelse

    29.10.2025

  • Vil du stå i spidsen for et af Danmarks ældste fagblade – Dansk Kemi søger ny redaktør

    21.10.2025

  • Hvad laver lermineralet vermiculiti laboratoriet?

    21.10.2025

  • Er kokain protoneret, når det binder til dopamintransporteren?

    17.10.2025

  • Både Techmedia og mange fagfolk vil savne Marianne Dieckmann

    15.10.2025

  • Chr. Hansen A/S, osteløbe og teknologispring

    06.10.2025

  • Fra forskning i nanosikkerhed til mere sikker håndtering af nanomaterialer i arbejdsmiljøet

    29.09.2025

  • Sulfitter. Sulfo. Sulfonater og sulfater. Sulfa. Sulfy. Sulfider. Sulfan

    22.09.2025

  • Jubilæumsudgaven af Labdays i Aarhus er kommet godt fra start

    10.09.2025

  • Kvantealgoritmer og kemisk forståelse i åbne systemer

    03.09.2025

  • Grøn kemi, affald og plast

    26.08.2025

  • Det gyldne mikrobiom: Tarmbakterier som kilde til det essentielle B-vitamin riboflavin

    20.08.2025

  • Antibiotikaresistens i vores naturlige miljøer

    12.08.2025

  • Nye metoder giver indsigt i plantebaseret strukturdannelse

    04.08.2025

  • Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

    23.06.2025

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