Scherarmes Dosieren von mikroverkapselten Klebstoffen und Flüssigkeiten

Seither hat das Verfahren durch neue Technologien und Herstellungsverfahren neuen Aufschwung und Anwendungsmöglichkeiten gefunden. Sinn der Mikroverkapselung ist es, verschiedenen Medien durch die Zugabe von verkapselten Füllstoffen neue Eigenschaften zu geben. Es lassen sich beispielsweise 2K Klebstoffe mit nur einem Medium verarbeiten, da sich die reaktive Komponente im Basismaterial eingeschlossen, in Mikrokapseln befindet. Die Verarbeitung und vor allem die Dosierung dieser Medien stellt jedoch viele neue Herausforderungen an den Anlagenbauer.

In folgenden Industriezweigen werden Mikroverkapselte Produkte eingesetzt:

- Lebensmittelindustrie (z.B. probiotische Bakterien in Joghurt)

- Agrarchemie (z.B. wasserlösliche Dünger mit Langzeitwirkung)

- Pharmaindustrie (z.B. wirkortspezifische Medikamente)

- Kosmetikindustrie (z.B. UV - Filter in Sonnencremes)

- Klebstoffindustrie (z.B. Spachtelmassen für Modell- und Flugzeugbau)

- uvm.

Beim Herstellungsverfahren der Mikroverkapselung werden kleinste Portionen fester, flüssiger oder gasförmiger Substanzen mit einer Hülle aus polymeren oder anorganischen Wandmaterialien umgeben. Die Durchmesser dieser Kapseln (Mikrokapseln) können Größen von einigen Millimetern bis unter 1 µm haben.

Arten von Mikrokapseln

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Arten von Mikrokapseln: monolithische (Kapseln mit festem Kern) und Reservoir Mikrokapseln Kapseln mit flüssigem oder gasförmigem Kern).

Die Auswahl der Wandmaterialien erfolgt je nach Verwendungszweck und Ort und Zeitraum der Freisetzung.

Verschiedenste Anwendungen erfordern unterschiedliche Arten der Freisetzung der Materialien. Je nach Einsatzgebiet sollen die Kapseln am Einsatzort durch mechanische Arbeit, Auflösung des Wandmaterials oder auch gar nicht zerstört werden. Bei mikroverkapselten Klebstoffen befindet sich die reaktive Komponente im Material eingeschlossen, in einer Glas- oder Polymerhülle. Als chemische Basis kommen unter anderem Polyester, Epoxydharze, Acrylate und Polyurethane in Frage. Vor dem Materialauftrag, während des Förderns und Dosierens, gilt es unbedingt zu vermeiden, dass die Kapseln zerstört werden. Die Ingenieure der Firma ViscoTec haben sich intensiv mit der Problematik befasst und Entnahmesysteme für fast alle am Markt befindlichen Gebinde (Fass, Hobbock, Dose, Kartusche, freier Zulauf, etc.) entwickelt um eine schonende Förderung zu den Dispensern gewährleisten zu können. Solche Dispenser werden beispielsweise bei der Beschichtung von Schraubengewinden mit selbst aushärtender Schraubensicherung erfolgreich eingesetzt. Hier sollen die Mikrokapseln erst durch die Scherkräfte beim Eindrehen der Schrauben in das Gewinde aufbrechen und somit eine Klebe- und Dichtwirkung erzielen.

Verarbeitung

Die Problematik, die sich bei der Verarbeitung von mikroverkapselten Flüssigkeiten ergibt liegt auf der Hand. Die Entnahme aus den Liefergebinden sowie die anschließende Dosierung und das Applizieren auf den Zielort müssen so gut wie ohne Scherkräfte und Reibung vonstattengehen, um die mikroskopisch kleinen Kugeln nicht zu zerstören. Zur Förderung und Dosierung sind daher beispielsweise Kolbenpumpen ungeeignet, da die durch den Kolbenhub entstehende Druckpulsation zur Zerstörung der Füllstoffe führen kann. Drücke > 10 bar gelten als gefährlich für die Medien mit Mikroverkapselung. Auch Zahnradpumpen fallen aufgrund ihrer bauartbedingt auftretenden Scherkräfte als Dosiersystem aus. Welche Dosiersysteme lassen sich dann zum Handling, Transport und Auftragen von mikroverkapselten Flüssigkeiten einsetzen?

Das Endloskolbenprinzip

Die Auswahl muss auf ein scherarmes, hochgenaues und zugleich produktschonendes Verfahren fallen. Aufgrund der Anforderungen zeigt sich das Endloskolbenprinzip der Firma ViscoTec als ideale Technologie zur Entnahme, Bereitstellung und Dosierung von mikroverkapselten Fluiden. Die volumetrisch arbeitenden Dosierpumpen fördern viskositäts- und gegendruckunabhängig. Die besondere Dosiergeometrie garantiert einen pulsationsfreien Förderstrom. Durch das Zusammenspiel zwischen Rotor und Stator entstehen abgeschlossene Kammern mit identischem Volumen das sich auch während des Dosierprozesses nicht verändert. Dadurch ist es möglich feststoffbeladene Medien sehr scherarm und mit sehr geringer Reibung zu dosieren ohne die Füllstoffe zu zerstören.

Das Medium wird hierbei von der Saug- zur Druckseite der Pumpe gefördert. Eine Dosiergeometrie, ohne Hinterschneidungen und optimiertem (minimalen) Totraumenvolumen, sorgt für einen konstanten Volumenstrom nach dem First-In-First-Out-Prinzip. Die Dosiermenge wird drehzahlproportional über den Antrieb geregelt und ist somit stufenlos einstellbar sowie pulsationsfrei. Zwischen Rotor und Stator bildet das Pumpensystem eine Dichtlinie. Deshalb benötigt das System keine zusätzlichen Ventile, um beim Dosierstop ein Nachtropfen oder Auslaufen des Mediums zu verhindern. Auch abrasive und chemisch aggressive Materialien stellen für ViscoTec Pumpensysteme kein Problem dar. Als Statormaterial stehen diverse, chemisch sehr beständige, Elastomere zur Verfügung. Die Dosierpumpen können daher für die unterschiedlichsten Medien optimal ausgelegt werden. Dies ist besonders im Hinblick auf die chemische Basis mikroverkapselter Klebstoffe von Bedeutung. Das vergleichsweise schwierige Handling und die chemische sowie physikalische Beschaffenheit der Produkte verlangt nach möglichst geschlossenen Systemen von der Materialentnahme bis zur Dosierung oder Abfüllung, ohne zusätzliche Handlingsschritte.

Produktzuführung, Abfüllung und Dosierung

Aufgrund dieser und anderer Aspekte wurde von ViscoTec ein Kompaktabfüllgerät entwickelt. Das Dosiersystem vereint alle positiven Eigenschaften der ViscoTec Endloskolben Technologie in einer kompakten Anlage. Es wurde konzipiert, um Medien produktschonend und hochgenau, teilautomatisch in unterschiedlichste Kleingebinde abzufüllen. Von Spritzen über Kartuschen bis hin zu kundenspezifischen Behältern ist eine prozesssichere und wiederholgenaue Befüllung möglich. Durch die Abfüllung je nach Niveau des Materialspiegels wird ein Lufteintrag in das Gebinde oder Produkt unterbunden. Die Materialentnahme aus Hobbocks, Zuführung als freier Zulauf aus einem Trichter oder die Entnahme mittels einer Sauglanze kann kompakt, auf einem Gestell realisiert werden.

Die einzelnen Komponenten können für jede Anwendung spezifisch zusammengestellt werden. So lässt sich nicht nur die Abfüllung sondern auch die Dosierung auf nachfolgende Bauteile in Punkt und Raupenform realisieren.