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Messung der elektrostatischen Stabilität von unterschiedlichen TiO2-Dispersionen im Labor

Einleitung
Titandioxid wird in Farben, Lacken, Kunststoffen und Laminaten als hochwertiges Weißpigment eingesetzt. Sowohl im Produk-tionsprozess beim TiO2-Hersteller als auch im Verarbeitungsprozess z.B. bei Herstellern von Farben und Lacken ist es von großer Bedeutung, Koagulation oder Agglomeration einer TiO2-Dispersion zu vermeiden.
Mit dem Messverfahren der Elektrokinetischen-Schall-Amplitude ESA lässt sich die Oberflächenchemie der TiO2-Dispersion durch Anpassung des pH-Wertes steuern. Die Dispersion sollte in einem pH-Bereich gehandhabt werden, in dem diese nicht ausflockt. Das bedeutet: Das Zeta-Potential der TiO2-Dispersion darf nicht den Wert gleich Null oder nahe Null annehmen.
Das Zeta-Potential der Dispersion ist ein Maß für die effektive Oberflächenladung und die Wechselwirkung der TiO2-Pigmentteilchen untereinander. Die Charakterisierung der absoluten Oberflächenladung der TiO2-Pigmentteilchen in der wässrigen Dispersion, negativ oder positiv in der Einheit [mV], ist ein entscheidender Parameter für die endgültige Anwendung des Produkts.
Das Zeta-Potential ist abhängig von der Art des Lösungsmittels, Arten und Menge der in der Dispersion vorliegenden Ionen (spez. Leitfähigkeit), pH-Wert. Insbesondere ist das Zeta-Potential ein Maß für die elektrosta-tische Stabilität der gesamten Dispersion.

 

Materialien, Messtechnik und Geräte
Die für die Messungen eingesetzten Materialien und die Messtechnik sind im folgenden aufgelistet. Die Messungen wurden bei Pulveranalyse GbR Labor Köln an TiO2-Disper-sionen durchgeführt. Getestet wurden drei unterschiedliche TiO2-Pigmenttypen in wäss-riger Dispersion.
Materialien:
-wässrige TiO2-Dispersion 30 % wt
-0,1 M HCl und 0,1 M NaOH (p.A.)
Messtechnik:
-ESA Messsystem mit programmierbarem Titrator. Hochsensitive Sonde mit 500 kHz Messfrequenz.
-50 ml Standard ESA-Teflon Messzelle, pH-Sensor, Leitfähigkeit- und Temperatursensoren , regelbares Rührsystem zur Verhinderung von Sedimentation während der Messung
-Software zur Datenaufzeichnung
Geräte:
-Ultraturrax T18 zur Dispergierung mit Werkzeug S18 N-19G

 

Ergebnis und Diskussion
Durch Messung der elektrokinetischen-Schall- Amplitude ESA können die unterschiedlichen elektrostatischen Eigenschaften der TiO2-Typen in wässriger Dispersion einwandfrei gemessen werden.
Die Messergebnisse in Abb.1 zeigen, dass sich die unterschiedlichen TiO2-Typen als Pigmentdispersion im isoelektrischen Punkt IEP und hinsichtlich ihres Zetapotentials signifikant voneinander unterscheiden.
Werden die TiO2-Dispersionen im Bereich jenseits des IEP gehandhabt, d.h. gerührt, umgepumpt, etc., ist nicht mit einer Flokkulation zu rechnen. Die pH-Werte sind hierbei nicht allzu extrem zu wählen, da sich die elektrostatischen Eigenschaften der Pigmentoberflächen und die Ionenfracht in der Dispersion dadurch wieder zu Ungunsten der Dispersionsstabilität verändern können.

 

 

 

Schlussfolgerung
Elektrostatische Stabilitätsmessungen von hochkonzentrierten Dispersionen gehören mittlerweile zu den Routine Messverfahren. Die ESA-Technik, als die modernste der elektroakustischen Methoden ist in besonderer Weise für unterschiedliche Anwendungen ausgearbeitet worden.
Dispersionen in technischen Produktionsprozessen liegen häufig hochkonzentriert, trübe, farbig temperiert oder durch zugegebene Additiv-Formulierungen elektrostatisch beeinflusst vor. Vorgänge der Sedimentation werden im Prozess oft durch leistungsstarke Rührwerke in großen Behandlungsgefäßen unterbunden. Alle diese genannten Prozesszustände lassen sich in die Stabilitätsanalyse mittels Elektrokinetischer-Schall-Amplitude ESA einbeziehen.
Die Daten der in hochkonzentrierter Form analysierten Proben beziehen sich direkt auf die elektrokinetischen Eigenschaften der dispersen Partikel im Rohmaterial oder im fertigen Produkt.
 

Info ESA-Messverfahren
Die ESA-Methode zur Charakterisierung der Ladungsstabilität von Partikeln in einer Dispersion ist eine elektroakustische Messtechnik.
Eine oszillierende Spannung wird an eine Suspension, Dispersion oder Emulsion angelegt, welche von einer Wechselstromquelle erzeugt wird. Geladene Partikel in der Dispersion schwingen mit der Frequenz des von außen angelegten elektrischen Feldes. Es lassen sich eine- oder mehrere Frequenzen anlegen. Die Oszillation der Partikel bei diesen Frequenzen erzeugt Schallwellen. Die Amplituden dieser Schallwellen werden als Elektrokinetische-Schall-Amplitude (ESA) gemessen. Dieses ESA- Signal verhält sich proportional zu der dynamischen Mobilität der Partikel und diese wiederum zum Zeta-Potential der in der Dispersion vorliegenden Teilchen. Voraussetzung zur Nutzung dieses Effekts ist eine gewisse Dichtedifferenz zwischen Dispersionsmedium und Partikel. Zur Erzeugung auswertebarer Signale muss diese Dichtedifferenz mindestens 0,2 g/cm3 betragen.

 

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