R1800-SH Ruß-Hyperdispergiermittel: 28-mal höhere Schmierwirkung und 122-mal höhere Dispergierleistung als Wachs

R1800-SH ist das von Californium Curium speziell für Ruß entwickelte Hyperdispergiermittel. Es dispergiert Pigmentruß, der Schwarzwert sinkt nicht, sondern steigt, und die Verarbeitungseigenschaften verbessern sich ebenfalls.

Dieser Beitrag behandelt drei Punkte: worin der Unterschied zu Wachs tatsächlich liegt; woher der Wendepunkt bei 3% Dosierung stammt und warum die Wirkung jenseits davon ins Gegenteil umschlägt; und wie es im Rußwerk und beim Schwarzmasterbatch-Hersteller eingesetzt wird.

Drei Zahlen vorweg

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Gegenüber Polyethylenwachs erreicht R1800-SH eine 28-mal höhere Schmierwirkung und eine 122-mal höhere Dispergierleistung als Wachs.

Ruß wird als anorganisches Pigment in Masterbatches breit eingesetzt. Im Einsatz neigen jedoch feinere Pigmentteilchen stärker dazu, sich miteinander zu verbinden und größere Partikel zu bilden, was die Produktqualität beeinträchtigt; sie sind deshalb nicht direkt verwendbar und müssen einer Dispersionsbehandlung unterzogen werden. Der Dispersionsprozess des Pigments lässt sich in drei Teile gliedern: Benetzung, Feinung (Dispergierung) und die Stabilisierung nach der Feinung (Umhüllung). Die Pigmentoberflächenbehandlung ist genau dieser Prozess der Stabilisierung nach der Feinung: Auf der Oberfläche der Pigmentteilchen werden ein- oder mehrmolekulare Substanzen abgeschieden und aufgelagert, darunter Tenside, Modifizierungsmittel, Derivate des Pigments selbst und weitere.

Dieser Abschnitt ist die vollständige Begründung des Handbuchs, warum auf die Dispersion nicht verzichtet werden kann. Er teilt die Dispergierung in drei Stufen: Benetzung, Feinung (Dispergierung), Stabilisierung nach der Feinung (Umhüllung). Die Wirkung von R1800-SH setzt in der dritten Stufe an – auf der Oberfläche der Pigmentteilchen wird eine Umhüllungsschicht abgeschieden, und erst diese Schicht sorgt zusammen mit der räumlichen sterischen Barriere dafür, dass sich die Partikel bei Annäherung gegenseitig abstoßen.

R1800-SH besteht hauptsächlich aus Silicium- und Harzether-Polymeren: eine blaue Paste mit schwachem Schweinefettgeruch, Dichte 0,860 g/cm³, Viskosität 1000–4000 mPa·s, Flammpunkt 287℃, Aminzahl ≦8 mgKOH/g, Säurezahl ≦6 mgKOH/g, Dispergiergrad III. In Wasser nicht löslich, bei Raumtemperatur in den meisten organischen Lösungsmitteln löslich.

Der Wendepunkt bei 3% ist zugleich Sättigungspunkt und Brückenpunkt

Der Schwarzwert erreicht bei 3% den Spitzenwert 130.

Die Optische Dichte der Filme, in derselben Versuchsreihe gemessen, folgt demselben Kurvenverlauf: Mit steigender Dosierung steigt sie, erreicht bei 3% ihr Maximum von 0,487; wird weiter zugegeben, fällt sie steil ab.

Das ist kein Fall von „je mehr, desto besser“. 3% ist der Punkt, an dem die Adsorption der Ankergruppen auf der Rußoberfläche die Sättigung erreicht.

Unterhalb von 3% sind die Ankerstellen der Rußoberfläche noch nicht vollständig besetzt; die adsorbierten Ankergruppen nehmen mit der Dosierung zu, die Umhüllungsschicht wird immer vollständiger, und die Optische Dichte steigt entsprechend.

Über 3% wirken überschüssige R1800-SH-Moleküle aufeinander ein und erzeugen eine „Brückenflockung“ – die Pigmentteilchen flocken durch die Verhakung der Solvatationsketten des Hyperdispergiermittels aus, und die Kraft, die die Partikel eigentlich auseinanderschieben soll, bindet mehrere Partikel stattdessen zu einem Klumpen. Aus dem Dispergiermittel, das Agglomerate aufbricht, wird damit ein Agglomerationsbildner, und die Optische Dichte schwenkt deshalb nach unten.

Dieser Verlauf „erst steigend, dann fallend“ ist genau der Punkt, der das Hyperdispergiermittel von gewöhnlichen Schmiermitteln unterscheidet: Gewöhnliche Schmiermittel arbeiten nicht nach dem Weg „Ankerung – Sättigung – Brückenbildung“.

80℃ und der Schalter der Umhüllungsschicht

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Die Molekülstruktur von R1800-SH besteht aus zwei Teilen. Die Ankergruppe ist -COOH; diese polaren Gruppen adsorbieren über Ionenbindungen, Wasserstoffbrücken und Van-der-Waals-Kräfte fest auf der Pigmentoberfläche und verhindern damit, dass sich das Dispergiermittel ablöst. Der zweite Teil ist die Solvatationskette (Dispergierung); sie bestimmt unmittelbar die Stabilität des dispergierten Pigments im Lösungsmittel.

Entscheidend ist, dass das Verhalten der Solvatationskette einen Temperaturschalter besitzt:

• Unter 80℃ schmilzt die Umhüllungsschicht nicht, sie legt sich fest um die Rußpartikel und wirkt isolierend
• Über 80℃ beginnt die Umhüllungsschicht zu schmelzen, geht in einen ionischen Haftvermittler über und verbessert die Verträglichkeit von Ruß und Harz

Bei Temperaturen über 70℃ ist die Oberflächenbehandlung am wirksamsten.

Eine leicht zu übersehende Eigenschaft kommt hinzu: Der Farbton wird mit steigender Temperatur dunkler, in der Anwendung im Produkt wirkt sich das jedoch nicht auf die Farbe aus.

Dispergierbarkeit: zwei sichtbare Mikroskopaufnahmen

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Das Handbuch zeigt zwei Phasenkontrastmikroskop-Aufnahmen:

• A: mit 3% R1800-SH behandelter Ruß, PH = 6,2, 80℃, mit Ethanol 1:1 verdünnt
• B: unbehandelter Ruß

In Bild A ist der Ruß gleichmäßig dispergiert, die Rußpartikel sind klein; in Bild B treten die Rußpartikel zu schweren Agglomeraten zusammen.

Dieselbe qualitative Beurteilung hat eine quantitative Entsprechung: Die Dispergierbarkeit wird qualitativ durch Beobachtung und Fotografieren im Phasenkontrast- oder Elektronenmikroskop charakterisiert, quantitativ durch Bestimmung der Partikelgrößenverteilung.

In der Rußpaste reichern sich an der Partikeloberfläche Ladungen an, die sich leicht mit den Ankergruppen von R1800-SH (-COOH) verbinden und dort eine feste Schutzschicht bilden; der räumliche sterische Barrierenmechanismus der Solvatationsketten (Kohlenstoffketten) sorgt zusätzlich dafür, dass der Ruß stabil dispergiert vorliegt. Erst das Zusammenwirken beider Effekte ergibt eine stabile Dispersion.

Einsatz im Rußwerk oder beim Schwarzmasterbatch-Hersteller

Das sind zwei völlig unterschiedliche Stellen der Zugabe.

Rußwerk: Bei der Nassgranulation wird das Produkt üblicherweise zusammen mit den anderen Additiven und dem Ruß gemischt und granuliert; bei der Trockengranulation wird es vor dem Zerkleinern gleichmäßig in den Ruß eingebracht, wobei erst die beim Zerkleinern herrschende Temperatur die Dispergierwirkung entfaltet. Soll die Behandlung im Rußwerk erfolgen, empfiehlt das Handbuch eine Verdünnung mit alkoholischen Lösungsmitteln; damit soll die Menge gleichmäßiger im Rußpulver verteilt werden.

Schwarzmasterbatch-Hersteller: Das Produkt wird direkt zusammen mit den anderen Additiven in den Hochgeschwindigkeitsmischer gegeben und gemischt, wobei das Harz bei einer Temperatur von rund 100℃ zugegeben wird; sobald Harz und Ruß gleichmäßig gemischt sind, wird das Material zur Granulation entnommen.

Die Wirkung besteht darin, den Ölabsorptionswert des Rußes zu senken sowie Dispergierleistung, Fließfähigkeit sowie innere und äußere Schmierwirkung zu verbessern und Farbstärke und Verträglichkeit zu erhöhen.

Die Versuchsrezeptur für schwarzes Masterbatch kann direkt übernommen werden:

Der Prozessablauf lautet: Hochgeschwindigkeitsrühren → Granulation → Extrusionsblasfolienherstellung → Deckkraft → Schwarzwert.

In dieser Rezeptur entsprechen die 1 g R1800-SH den 50 g Ruß, also 2% bezogen auf den Ruß; bezogen auf das gesamte Masterbatch (50+1+10+39 = 100 g) sind es 1%.

Die 3% von oben sind dagegen das Behandlungsverhältnis bei der Oberflächenbehandlung des Pigments – die Versuchsreihe mit 1%–5% behandelte den Ruß als Pulver für sich allein, die Dosierung war also auf den Ruß bezogen.

Beide Zahlen haben denselben Nenner, aber unterschiedliche Szenarien: die eine ist der Anteil für die „eigenständige Behandlung des Rußpulvers“, die andere die Zugabemenge, wenn der Ruß „in das Harz zum Masterbatch eingemischt“ wird. Sie lassen sich nicht direkt ineinander umrechnen.

Endzugabe im fertigen Kunststoffprodukt

Das Handbuch nennt für die nachgelagerten Verarbeiter: 0,5%—1% im fertigen Kunststoffprodukt.

Verpackung: 20 kg/PE-Kunststoffeimer; Lagerung an einem kühlen, trockenen Ort, vor Feuchtigkeit schützen.

Zwei Punkte, die vor dem Einsatz zu klären sind

Erstens, R1800-SH ist in Wasser nicht löslich. Wässrige Systeme (wässrige Beschichtungen, wässrige Druckfarben, wässrige Pasten) eignen sich nicht für den direkten Einsatz dieses Produkts; hier empfiehlt sich ein anderes Modell.

Zweitens, mit jeder Rußsorte verschiebt sich der Wendepunkt. Die 3% des Handbuchs wurden an Pigmentruß ZY-1 von Yunnan Zhongyi gemessen, in der Rezeptur wurde DK2028P eingesetzt. Bei der jeweils eigenen Rußsorte ist die spezifische Oberfläche eine andere, damit auch der Sättigungspunkt – das Handbuch hält ausdrücklich fest, dass die Einsatzmenge von der spezifischen Oberfläche des Pigments abhängt. 3% ist ein Ausgangspunkt, kein Endpunkt.

Eine weitere Abweichung in der Darstellung verdient Beachtung: Im Überblicksabschnitt des Handbuchs sind als Behandlungsbedingungen PH = 6,2, 80℃ und eine Dosierung von 1% hinterlegt, im Fazitsabschnitt heißt es dagegen, mit 3% Dosierung werde die Behandlung von Ruß am besten. Beide Angaben stehen im Handbuch.

Häufige Fragen

Frage: Lässt sich der Wert von 3% direkt auf andere Rußsorten übertragen? Antwort: Nein. Das Handbuch hält fest, dass die Einsatzmenge von der spezifischen Oberfläche des Pigments abhängt; 3% ist der Sättigungspunkt von Pigmentruß ZY-1 von Yunnan Zhongyi bei PH 6,2 und 80℃. Bei einem Wechsel der Sorte muss der Wendepunkt neu bestimmt werden.

Frage: Wird es bei 5% noch schwärzer? Antwort: Nein. Im Versuch liegt der Schwarzwert bei 5% bei 125 und damit unter den 130 von 3%. Jenseits von 3% übernimmt die Brückenflockung, und die Optische Dichte fällt steil ab.

Frage: Was passiert bei einer Anwendung unter 80℃? Antwort: Die Umhüllungsschicht schmilzt nicht, sie umschließt die Rußpartikel fest und wirkt isolierend; die Dispergierung kommt zustande, doch die Umwandlung in einen ionischen Haftvermittler bleibt aus, und die Verträglichkeit mit dem Harz lässt sich nicht steigern.

Frage: Sind die 1 g in der Schwarzmasterbatch-Rezeptur und die 3% derselbe Anteil? Antwort: Nein. Die 1 g entsprechen 50 g Ruß, also 2% bezogen auf den Ruß und 1% bezogen auf das gesamte Masterbatch; die 3% sind der Anteil bei der Oberflächenbehandlung des Rußpulvers als solchem. Die beiden Szenarien lassen sich nicht direkt ineinander umrechnen.

Frage: Lässt sich eine wässrige Paste direkt damit herstellen? Antwort: Nein. R1800-SH ist in Wasser nicht löslich und bei Raumtemperatur nur in den meisten organischen Lösungsmitteln löslich; für wässrige Systeme empfiehlt sich ein anderes Modell.

Frage: Im Überblicksabschnitt steht eine Dosierung von 1%, im Fazit 3% als Optimum – woran soll man sich halten? Antwort: Beide Angaben stehen im Handbuch. Die 1% sind die im Überblicksabschnitt hinterlegte Behandlungsbedingung, die 3% der gemessene Spitzenwert von Schwarzwert und Optischer Dichte. Für das eigene System gilt die gemessene Kurve.

Ein Satz

Der Wert von R1800-SH liegt nicht darin, dass er „dispergiert“, sondern darin, dass er „sauber dispergiert – und weiß, wann er aufzuhören hat“. 3% ist der Sättigungspunkt der Ankerung an der Rußoberfläche; jenseits davon übernimmt die Brückenflockung und bildet die Agglomerate neu. 80℃ ist der Schalter der Umhüllungsschicht, und bei Temperaturen über 70℃ ist die Oberflächenbehandlung am wirksamsten. Wer diese beiden Punkte beherrscht, muss im Übrigen nur noch nach der Zugabestelle dosieren.