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18.10.2018

Mess- & Prüftechnik

Mess- & Prüftechnik: 10.10.2018

Nanotröpfchen im Lackspray

Wie fein werden Tröpfchen eigentlich zerstäubt?

Ultrakleine Tröpfchen sind relevant für die Diskussion um Nanomaterialien. Diese Nanotröpfchen mit Durchmessern unter 1 µm treten auch in Lacksprays auf. Deshalb hat sich das Fraunhofer IPA in Zusammenarbeit mit der Universität Graz (Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamics) und der University Namur (Nanosafety Centre Department of Pharmacy) auf die Spur dieser Tröpfchen begeben.

Messung der Nano-Tröpfchengrößenverteilung vor und während der Lackierung für einen Lösemittellack (links) und einen Wasserbasislack (rechts). Fotos und Grafiken: Fraunhofer IPA/TU Graz

Messung der Nano-Tröpfchengrößenverteilung vor und während der Lackierung für einen Lösemittellack (links) und einen Wasserbasislack (rechts). Fotos und Grafiken: Fraunhofer IPA/TU Graz

Bei jedem zerstäubenden Beschichtungsverfahren entsteht Lacknebel. Die Größenverteilungen der Tröpfchen sind bereits in vielen Studien untersucht worden. Ebenfalls im Fokus stand, wie sich dies auf das Lackierergebnis auswirkt. Dabei wurden immer die Tröpfchen größer als 1 µm betrachtet, da diese einen nennenswerten Beitrag zur gesamten Lackmenge mitbringen. Was passiert aber im kleineren Bereich? Der Overspray ist ein unerwünschter Nebeneffekt bei der Lackzerstäubung. Deshalb ist es wichtig, seine Eigenschaften gut zu verstehen, um entsprechende Maßnahmen zur Vermeidung, zur Abscheidung und zum Schutz des Equipments und der Mitarbeiter abzuleiten. In dem aktuellen Projekt wurden verschiedene Lacke – mit nanopartikulären Pigmenten (TiO2, Carbon black, ZnO) und ohne – untersucht. Zudem wurden verschiedene manuelle Applikationstechniken wie pneumatische Handspritzpistole und Spraydose verwendet. Im Lackiertechnikum des Fraunhofer IPA (Bild 1) sind diese Systeme systematisch, reproduzierbar und unter industrieüblichen Bedingungen einsetzbar. Die Mess­techniken der Projektpartner lieferten die Partikelgrößenverteilungen im Submikrometerbereich.

Bild 1: Analyse der nanopartikulären Tröpfchen unter realistischen Lackierbedingungen im Technikum des Fraunhofer IPA.

Bild 1: Analyse der nanopartikulären Tröpfchen unter realistischen Lackierbedingungen im Technikum des Fraunhofer IPA.

Bild 3: Simulation der Luftströmung bei der Lackierung eines vertikalen Objekts. Oberhalb des Objekts bildet sich ein Wirbel, der die Tröpfchen zurück auf den Werker wirft.

Bild 3: Simulation der Luftströmung bei der Lackierung eines vertikalen Objekts. Oberhalb des Objekts bildet sich ein Wirbel, der die Tröpfchen zurück auf den Werker wirft.

Die durchgeführten Versuche und Berechnungen legen folgende Thesen nahe:

  • Es entstehen beim Zerstäuben ultrafeine Tröpfchen, die deutlich kleiner als 1 µm sind, v. a. zwischen 100 - 600 nm. Damit sind sie größer als die üblicherweise als Nanopartikel verstandenen Partikel mit 1 - 100 nm (Bild 2 a)
  • Die Anzahl der ultrafeinen Tröpfchen hängt dabei stark vom eingesetzten Lacksystem ab, hier hat der untersuchte Lösemittellack deutlich höhere Konzentrationen gezeigt als ein vergleichbarer Wasserbasislack (Bild 2b).
  • Ebenso ist die Wahl der zum Lackauftrag gewählten Applikationsmethode entscheidend. So hat die Spraydose bei eingeschalteter Kabinenbelüftung keine messbare Konzentration von ultrafeinen Partikeln gezeigt
  • Oftmals können die Atemschutzgeräte diese Partikel nicht herausfiltern
  • Die Anzahl der kleinen Tröpfchen hängt nicht davon ab, ob der Lack bereits zu Beginn nanopartikuläre Pigmente enthält
  • Es befinden sich Nanopigmente in allen entstehenden Tröpfchen unabhängig von deren Größe
  • Ein Wirbel oberhalb des Lackierbereichs transportiert die ultrafeinen Tröpfchen nach unten (Bild 3)

Die Messungen zu den ultrafeinen Tröpfchen wurden mit dem SMPS-System (Spektrometer Scanning Mobility Particle Sizer) und dem ELPI-Gerät (Electrical Low Pressure Impactor) durchgeführt. Ergänzend dazu wurde die Partikelgrößenverteilung im Mi­krometerbereich mittels Laserbeugung ermittelt. Außerdem wurden Raster-Elektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie und Laserscanning-Mikroskopie von deponierten Partikeln angewendet, um die Zusammensetzung der Tröpfchen zu untersuchen. Die numerischen Simulationen wurden als Computational Fluiddynamik Simulationen (CFD) durchgeführt. Zusammenfassend konnte bei den ausgewählten Versuchsszenarien keine erhöhte Toxizität durch die ultrafeinen Tröpfchen nachgewiesen werden.

FORSCHUNGSPROJEKT
Die Ergebnisse wurden in dem europäischen Projekt "Nanoparticle generation by atomization processes in spray coating – NANOGECO" vom 1. Januar 2015 bis 31. März 2018 ermittelt, im Rahmen des SIINN ERA-NET-Programms (Safe Implementation of Innovative Nano­science and Nanotechnology). Projektpartner sind University Namur (NNC), N.V. Dothee SA, Graz University of Technology (IVT) und Fraunhofer IPA. Gefördert von Federal Ministry for Transport, Innovation and Technology BMVIT in Österreich, Service Public de Wallonie SPW-DG06 in Belgien und Fraunhofer-Gesellschaft.

Zum Netzwerken:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart, Dr. Michael Hilt, Tel. +49 711 970-3820, michael.hilt@ipa.fraunhofer.de, Dr. Oliver Tiedje, Tel. +49 711 970-1773, oliver.tiedje@ipa.fraunhofer.de, www.ipa.fraunhofer.de/beschichtung

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