Partikelgrößenverteilung von Carbon Black und Schwarzpigmenten
Eine der meist verwendeten Chemikalien ist Industrieruß, das sogenannte Carbon Black. Der unter technisch definierten Bedingungen hergestellte Ruß wird in den unterschiedlichsten Industrien genutzt, etwa in der Gummi-Industrie zur Herstellung von Förderbändern, Reifen oder als Schwarzpigment in Druckfarben, Tinten, Maskara, sowie zur Einfärbung von Kunststoffen. Da die bei der Herstellung von Carbon Black herrschenden Bedingungen meist entscheidend für die späteren Eigenschaften sind, kann es auf seinen späteren Anwendungszweck maßgeschneidert werden.
Aber nicht nur die optischen Eigenschaften des Carbon Black sind für die industrielle Anwendung bedeutend. Auch die elektrische und die thermische Leitfähigkeit sind für viele Produkte oder Anwendungen interessant. So wird Carbon Black, ebenso wie das aus Kohlenstoff bestehende Graphit, für die Herstellung von Kohlebürsten verwendet.
Herstellung
Die Herstellung erfolgt Großteils durch das sogenannte Furnace-Verfahren, in dem erdölstämmige Kohlenwasserstoffgemische unvollständig verbrannt oder unter Pyrolysebedingungen gespalten werden. Carbon Black besteht vorwiegend aus kleinsten Partikeln von Kohlenstoff, die je nach Prozessführung nach und nach agglomerieren. Die Primärpartikel liegen zumeist in Größenbereichen zwischen 10 und 300 nm vor, Agglomerate entsprechend in größeren Bereichen bis zu mehreren hundert µm. Je nach Verwendungszweck des Carbon Black ist die Größe der Rußpartikel von immenser Bedeutung, so dass es notwendig ist, die Partikelgrößenverteilung zu bestimmen.
Herausforderung: Schwarzpigment
Die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung mittels statischer Laserbeugung von Schwarzpigmenten ist alles andere als trivial. Denn schwarze Pigmente haben die Eigenschaft das gesamte sichtbare Licht zu absorbieren. Daher benötigt man zur Durchführung solcher Messungen Geräte mit starkem Laser und vor allem mit sehr empfindlichen Lichtdetektoren, wie das SALD-2300.
Es arbeitet mit einem roten Laser (680 nm) in einem Messbereich von 17 nm bis 2500 µm und kann aufgrund des sensitiven Wing–Detektors problemlos für die Messung von Carbon Black oder anderen schwarzen Partikeln genutzt werden.
Dazu kann eine Dispergierstation mit Durchflusszelle verwendet werden. Die über die Software steuerbare Nassdispergiereinheit zirkuliert die Probe über eine Durchfluss-Küvette im Kreis. Um einer weiteren Agglomeration vorzubeugen kann eine kraftvolle Ultraschallsonde zugeschaltet werden.
Zunächst wird ein Blindwert des Suspensionsmittels (Wasser) aufgenommen, anschließend wird eine Teilmenge der Carbon-Black-Probe in den Probentrichter der Dispergierstation gegeben. Durch die hydrophobe Eigenschaft des Carbon Black schwimmt die Probe zumeist obenauf und muss durch Dispergierhilfen, wie Tenside oder manuell durch Unterrühren, suspendiert werden. Anschließend kann die eigentliche Messung erfolgen.
Praxistest
In einem Versuch wurden mit dem SALD-2300 Verteilungskurven von 3 verschiedenartigen Proben gemessen. Dazu wurde die Nassdispergiereinheit mit der Flusszelle (FC-23) verwendet. Die Abbildung unten zeigt die Partikelgrößenverteilungen von Carbon Black (schwarz), sowie Graphit (rot) und Petrolkoks (grün). Alle drei Proben sind schwarz und liegen in ganz unterschiedlichen Größenbereichen.
Ergebnisse
Carbon Black besitzt mit einem modalen Durchmesser von 7,3 µm fast eine Normalverteilung. Graphit hingegen hat eine sehr breite Größenverteilung im Bereich von 1,6 µm bis 200 µm. Petrolkoks hat im Bereich zwischen 50 µm und 1200 µm zwei Maxima bei 220 µm und 730 µm.
Empfohlenes Gerät / Ausstattung
SALD-2300
MS-23 / FC-23
Partikelgrößenverteilung Carbon Black, Graphit, Petrolkoks