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Verfahren zur zeitlich verkürzten Bestimmung des
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Gehaltes an nichtflüchtigen Anteilen von Kunstharzlösungen, Farben,
Lacken , etc. und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Dr. Elmar Ladstädter Ing. Werner Geßner
Verfahren
zur zeitlich verkürzten Bestimmung des nichtflüchtigen Anteiles von Kunstharzlösungen,
Farben, Lacken, etc. und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zurzeitlich verkürzten
Bestimmung des Gehaltes an nichtflüchtigen Anteilen (nfA3 ron Kunstharzlösungen,
Farben, Lacken, erc.
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sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Gegenüber den bisher bekannten Verfahren gestattet die Erfindung eine
enorme Zeitersparnis, da die Ergebnisse innerhalb kürzester Zeit in exakt reproduzierbarer
Form vorliegen Gemäß »i- 53 216 wird der Gehalt an nfA dadurch bestimmr, daß in
eine Schale aus Metall mit flachem Boden (z.B.
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ein unlackierter Dosendeckel) die Prüfsubstanz eingewogen wird Elit
einem geeigneten Stab, z,B, einem gebogenen Glas staub oder einer aufgebogenen Büroklammer,
wird die Probe möglichst gleichmäßig verteilt, um ein besseres Entweichen der flüchtigen
Bestandteile zu ermöglichen.
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Allerdings laufen während der Trocknung verschiedene Prozes se ab,
weil tatsächlich keine gleichmäßige Schichtstärke erzielt wird. Auch die Reproduzierbarkeit
ist nicht zufriedenstellend.
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Die Probe wird beispielsweise nach einer Ablüftzeit-von 10 Minuten
bei Raumtemperatur innerhalb von 1 bis 3 Stunden in einem Trockenschrank bei 120°C
getrocknet.
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Bei sehr. temperaturempfindlichen Produkten ist auch die Verwendung
eines Vakuumtrockenschrankes üblich, um die Abgabe flüchtiger Bestandteile bei niedrigen
Temperaturen zu beschleunigen.
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Gemäß ASTM D 1 259-b vira zur Aluminiumfolie statt des Dosendeckels
benützt. Diese muß jedoch faltenfrei auf
eine Glasplatte aufgezogen
werden, um eine gleichmäßigere Verteilung zu erreichen. Die Folie wird mit einer
Stahlrolle "gebügelt". Die Vorbereitung der Probe ist daher zeitraubend. Zusätzlich
zur langen Verweilzeit im Trockenschrank ergibt sich für die Prüfung ein großer
Zeitaufwand, der bei Kontrollen des Gehaltes an nfA, z. B. während der Herstellung
eines Kunstharzes,dazu führen kann, daß die Werte zu spät erhalten werden und die
Reaktion inzwischen so weit fortgeschritten ist, daß eine Korrektur nicht mehr möglich
ist.
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Es wurde nun gefunden, daß man an gleichmäßig dünnen Schichten nach
einer kurzen Trockenzeit den Gehalt an nfA bestimmen kann, wenn man eine definierte
Menge, z. F.
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0.5 - 1 ml der Prüfsubstanz zwischen Aluminiumfolien auf eine Naßfilmstärke
von 10 bis 100 ßm auswalzt und die entfaltete Folie bei 70 - 2000C und/oder im Vakuum
während 1 bis 20 Minuten trocknet. Die Berechnung erfolgt durch Bestimmung des Gewichtsverlustes.
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Das Verfahren besteht darin, daß eine exakt gewogene Menge der Prüfsubstanz
in weiche Aluminiumfolie eingeschlagen wird und beides durch einen Spalt befördert
wird, welcher durch zwei in bestimmtem Abstand zu einander stehende, gegenläufig
rotierende Walzen gebildet wird. Dabei verteilt sich die Substanz mit konstanter
Schichtstärke auf eine große Fläche. Ja nch Einwaagemenge und Spaltbreite ergeben
sich Schichtstärken von 10 bis 100 Wm. Durch das Entfalten der Folie wird die ausgewalzte
Schicht geteilt, wodurch auf jeder Hälfte eine Schicht mit der Dicke der halben
Spaltbreite der Walzen, abzüglich Foliendicke, verbleibt. Die so entstehende gleichmäßig
dünne Schicht begünstigt die Abgabe flüchtiger Bestandteile. Dieser Vorgang wird
durch erhöhte Temperatur und/oder Anlegen von Vakuum in bekannter Weise beschleunigt.
Nach Ablauf der vorgegebenen Zeit
nvird der nicht-flüchtige Anteil
nach folgender Formel bestimmt:
m = Einwaage 0 m = Auswaage.
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Aus diesem Verfahren resultiert, abgesehen von der Zeitersparnis,
gute Reproduzierbarkeit. Weiters besteht die Möglichkeit, über Variation von Zeit
und Temperatur ein Kennfeld zu erstellen, aus welchem Aufschlüsse über die Art der
ablaufenden Prozesse erhalten erden können.
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Weiters ist es möglich, bei empfindlichen reaktionsfreudigen Substanzen
die Meßzeit zu verkürzen bzw. die Temperatur zu senken oder auf die Verwendung eines
Vakuumtrockenschrankes zu verzichten.
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Folgende Größen üben auf das Meßergebnis einen Einfluß aus: Temperatur
und Bauart des Trockenschrankes Luftdruck (bei Vakuumtrockenschränken) Verweilzeit
im Trockenschrank Spaltbreite der Walzen Dicke der Folie Eingewogene enge Auflösung
der Waage.
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Eine bevorzugte Äusführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
die sich in der Praxis für Hersteller von Kunstharzen bewährt, wird wie folgt durchgeführt
(sog.
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Standard- Folien-erfahrenl') Ein Blatt der Alu-Folie wird mit der
matten Seite nach, innen scharf gefaltet, gewendet, sanft fertiggefaltet
(siehe
Abb. 1) und in den Meßraum einer Waage mit Windschutz gelegt. Das Gewicht wird bestimmt.
Die Faltung bewirkt, daß die Folie im Windschutz leichter manipuliert werden kann
und die Luftströmung möglichst kleine Angriffsflächen vorfindet. Dann wird etwa
in der Mitte der Breite der Folie, nach dem Bug des ersten Faltvorganges die Probe
aufgebracht und sofort gewogen (Abb. 2).
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Die Probenmenge wird für jede Substanz experimentell bestimmt, wobei
die größtmögliche Menge zur Anwendung kommt, welche noch sicher, ohne die Walze
zu verunreinigen, verarbeitet werden kann. Bei Lackkunstharzen beträgt sie normalerweise
für die typischen Dimensionen des Walzenpaares und der Folie 0.5 - 1 ml.
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Nach dem Entfalten wird die Folie bei der halben Länge in die andere
Richtung einmal zusammengelegt (Abb. 3), wobei sich die Probe nun auf der Innenseite
der Folie befindet.
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Die Folie wird, mit dem Bug voraus, durch die Walzen transportiert,
wobei darauf zu achten ist, daß sie nicht schief zu den Walzen eingelegt werden
darf und daß sie möglichst frei von Knitterfalten sein soll.
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Damit die Probe mit konstanter Naßfilmstärke zwischen den Folienhälften
verteilt wird, sollten beide Walzen gegenläufig und ohne Schlupf angetrieben und
unabhängig von Viskosität und Drehgeschwindigkeit auf konstantem Abstand gehalten
werden.
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Die Folie wird wieder entfaltet, wobei sich auf beiden Hälften jeweils
die gleiche (halbe) Naßfilmstärke einstellt, und in den (Vakuum) Trockenschrank
gelegt (Abb. 4).
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Man kann den Fortschritt der Trocknung verfolgen, indem die Folie
zwischendurch aus dem Schrank genommen, gefaltet
und gewogen wird.
Bei sehr klebrig bleibenden Substanzen kann eine (vorher gewogene) Teflonfolie vor
dem Falten eingelegt werden, wodurch die Folie entfaltbar bleibt.
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Die angewendete Temperatur (bzw. Druck) und die Verweilzeit im Trockenschrank
sind auf den Mechanismus der Trocknung abzustimmen. Die Erstellung eines Kennfeldes
stellt dazu eine wertvolle Hilfe dar. Routinemessungen an bekannten Substanzen laufen-dann
natürlich mit-einer Zeit bei einer Temperatur ab, wodurch der Zeitgewinn voll zum
Tragen kommt.
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Wichtig für eine gute Reproduzierbarkeit des Verfahrens ist es, daß
die Proben vor der Entnahme gut durchgemischt und die Probengefäße zwischen den
Bestimmungen geschlossen gehalten werden, weiters, daß die Walzen und die Folien
frei von Verunreinigungen, Rückständen oder Spänen etc.
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sind.
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Eine Verdoppelung der Fläche bzw. Einwaagemenge läßt sich bei gleichbleibender
Schichtstärke erreichen, indem man zwei ganze Folien übereinander legt und diese
analog der Standardmethode faltet.
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Wie erwähnt, kann die Naßfilmstärke zwischen 10 und 100 ßm betragen.
Bei der Standardmethode arbeitet man mit einer Naßfilmstärke von 80 m; dieser Wert
ist aus einer großen Zahl von Versuchen mit verschiedenen Spaltbreiten als bester
Kompromiß zwischen effektiver Schichtstärke (und damit Geschwindigkeit der Lösungsmittelabgabe)
und Einwaagemenge (und damit Genauigkeit des Wägeverfahrens) hervorgegangen.
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Typische Daten und Beispiele für das verfahren: Typisches Probenvolumen:
0.1 - 1 ml
Gesamtnaßfilmstärke: Standard: 80 µm (2 x 40 ßm) zusätzlich
1 Folie: 50 µm (2 x 25 rm) zusätzlich 2 Folien : 20 wm (2 x 10 ßm) Maße der Folie:
170 x 400 mm Dicke der Folie: 30 - 2 µm Material der Folie: Reinaluminium, weichgeglüht,
unbeschichtet, einseitig matt Geforderte Auflösung der Waage : 1 mg Aus der folgenden
Tabelle kann der Zeitgewinn gegenüber den konventionellen Methoden anhand einiger
Lackkunstharze bzw. daraus hergestellter Lacke entnommen werden.
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Harztyp bzw. Lack konventionell Folienmethode wasserlösliche Grundierung,
ca.
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65%ig in Wasser und ii5sungsmittei 30 min/ 1800C 5 min/180°C 80 µm
Naßfilm Epoxidharzhältiger Füller ca. 67%ig, Lösungsmittelgemisch 60 min/1200C 5
min/1200C 80 µm Naßfilm Zwei- Komponenten-Einbrenndecklack, ca. 70%ig in LDsungs-
60 min/ 1200C 10 min/120°C mittelg s sch 80 µm Naß film Leinölmodifiziertes Alkydharz
25 min/ 1200C 3 min/120°C ca. 60%ig in Benzin 60 Wm Naßfilm Plastifiziertes Acrylharz
30 min/ 1500C 5 min/130°C ca. 60%ig in Benzin 60 iim Naßfilm ölfreier gesättigter
Polyester 60 min, 1250C 1 min/130°C ca. 67%ig in Äthylglykolacetat 30 Wm Naßfilm
und Xylol Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ("Folienwalze").
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Anforderungen an die Walze: Die Verwendung von aufeinandergedrückten
glatten Walzen kommt nicht in Frage, da die sich einstellenden Schichtstärken vom
rheologischen Verhalten des zu messenden Produktes bei der jeweiligen Temperatur
abhängen. Das gilt auch für das Auswalzen mittels einer einzelnen Walze auf einer
ebenen Unterlage, in diesem Falle stört zusätzlich das Verrutschen der beiden Folienhälften
gegeneinander.
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Der Aufbau eines Walzensyst.ems mit festem oder einstellbarem Spalt
ist zwar möglich, stellt aber recht hohe Anforderungen an die Fertigung, da alle
Fehler wie Zentrizität der Lagerzapfen, Rundlauffehler, Konizität, Durchbiegung
der Walzen etc. in die Spaltbreite eingehen. Da aber die Summe aller Fehler mit
- 5 ßm zu begrenzen ist, um eine ausreichend gute Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit
zu erhalten,wären sehr aufwendige und damit teure konstruktive Maßnahmen erforderlich.
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Es konnte aber eine sehr einfach herzustellende Anordnung ("Folienwalze")
gefunden werden, die trotzdem den hohen Anforderungen an die Konstanz und Parallelität
des wirksamen Spaltes genügt.
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Eine entsprechende Anordnung ist im Folgenden beschrieben: Die Folienwalze
zum Auswalzen der Prüfsubstanz auf der Folie besteht aus einer mittels Handkurbel
(13) angetriebenen, an beiden Enden mit konzentrischen Verdickungen (16 versehenen
Walze (2), welche wiederum über Zahnräder gleichs Zähnezahl (15) eine zweite Walze
gleichen Durchmessers (1) gegenläufig und schlupffrei antreibt. Diese zweite Walze
wird mittels Druckfedern (11), die auf Lagerblöcke (7) wirken, so kräftig gegen
die konzentrischen Verdickungen (16) an den bei£iiEnden der Walze (2) edriidrt,sodaßejn
von der
Viskosität des zu prüfenden Mediums unabhängiger Spalt
(17) zwischen den Walzen verbleibt; trotzdem können die Walzen bei grober Uberlastung
ausweichen.
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Die Lagerblöcke (7) beider Walzen (1,2) werden durch Führungsrohre
(5) so fixiert, daß sie sich nur entlang ihrer Achse bewegen können. Die Führungsrohre
(5) sind auf der einen Seite mittels Druckschraube (6), auf der anderen Seite durch
das Widerlager (8) für die Druckfeder (11) mittels Spannstift (9) abgeschlossen;
die Führungsrohre (5) werden durch die Spannelemente (3,4) in ihrer Position gehalten.
Die Seitenteile (10) mit Gummifüßen (12) ermöglichen den Betrieb als Tischgerät,
ein Führungsblech (14) lenkt die durchgewalzte Folie zur Vorderseite ab. Durch diese
konstruktiven Maßnahmen gelingt es, fertigungsbedingte Fehler der beschriebnen Art
weitgehend unwirksam zu machen, sodaß mit einfachen, kostengünstig herstellbaren
Teilen eine Anordnung gebaut werden kann, die den hohen Anforderungen bezüglich
Toleranz der Spaltbreite genügt.
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Die Vorteile der beschriebenen Anordnung kommen allerdings u. a. durch
den Verzicht auf eine variable Spaltbreite zustande. Dieser Nachteil läßt sich auf
einfachste Weise dadurch umgehen, daß man im Bedarfsfalle eine oder mehrere, möglicherweise
verschieden dicke Leerfolien mitwalzt, wodurch die effekive Spaltbreite in nahezu
beliebiger Stufung verringert werden kann.
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Daten der "Folienwalze": Walzendurchmesser: 30 mm Länge des Spaltes:
200 mm Breite des Spaltes: 140 + 5 m Material der Walzen: rostfreier Automatenstahl
Gewicht der FollenYalze: 4.75 kg
Modifizierung des Verfahrens Die
Bestimmungsgrößen beim Standardverfahren nehmen Rücksicht auf die Randbedingungen,
z. B. Handhabbarkeit und Erhältlichkeit der Folie, Auflösung der üblichen Laborwaagen,
Größe der gebräuchlichen Trockenschränke usw.
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Für gewisse'Produkte, wie etwa solche mit sehr geringem nfA, ist eine
höhere Einwaage wünschenswert, um die gleiche Genauigkeit zu erzielen. Für andere
Produkte ist die Aufbringung in sehr dünnen Schichten günstig. In beiden Fällen
erreicht man dies über die Vergrößerung der Fläche. Die Dimensionen der Folie können
ebenfalls variiert werden.
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Die für das jeweilige Produkt geeignetste Methode kann sehr einfach
experimentell bestimmt werden.