Ултразвук при разработването на рецептури за покрития

В рецептурите за покрития и бои се включват различни компоненти, като пигменти, пълнители, химични добавки, омрежващи агенти и реологични модификатори. Ултразвукът е ефективно средство за диспергиране и емулгиране, деагломерация и смилане на такива компоненти в покритията.

Ултразвукът се използва при разработването на рецептури за покрития за:

• емулгиране на полимери във водни системи
• диспергиране и фино смилане на пигменти
• намаляване на размера на наноматериали във високоефективни покрития

Покритията се разделят на две основни категории: смоли и покрития на водна основа и на основата на разтворители. Всеки тип има свои специфични предизвикателства. Предписанията за намаляване на летливите органични съединения (VOC) и високите цени на разтворителите стимулират развитието на технологиите за покрития със смоли на водна основа. Използването на ултразвукова обработка може да подобри експлоатационните характеристики на такива екологични системи.

Подобрени рецептури за покрития чрез ултразвукова обработка

Ултразвукът може да помогне на разработчиците на рецептури за архитектурни, промишлени и автомобилни покрития и покрития за дървесина да подобрят характеристиките на покритията, като оцветяваща способност, устойчивост на надраскване, напукване и UV лъчение или електропроводимост. Някои от тези характеристики на покритията се постигат чрез включване на материали с наноразмери, например метални оксиди (TiO₂, силициев диоксид, цериев диоксид, ZnO, …).

Ултразвукът помага също за обезпенването (задържани мехурчета) и дегазирането (разтворен газ) на продукти с висок вискозитет. Прочетете повече за ултразвуковото обезвъздушаване и дегазиране на течности!

Тъй като технологията за ултразвуково диспергиране може да се използва на лабораторно ниво, с настолни устройства и в промишленото производство, като позволява производителност над 10 tons/hour, тя се прилага както на етапа на научноизследователската и развойната дейност, така и в търговското производство. Резултатите от процеса могат да се мащабират лесно и линейно.

Ултразвуковите устройства на Hielscher са много енергийно ефективни. Устройствата преобразуват приблизително 80 до 90% от входящата електрическа мощност в механично действие в течността. Това води до значително по-ниски разходи за обработка.

Чрез връзките по-долу можете да прочетете повече за използването на високоефективен ултразвук за

• емулгиране на полимери във водни системи,
• диспергиране и фино смилане на пигменти,
• и намаляване на размера на наноматериали.

Емулсионна полимеризация чрез ултразвукова обработка

Традиционните рецептури за покрития използват основни принципи на химията на полимерите. Преминаването към технология за покрития на водна основа влияе върху избора на суровини, свойствата и методите за разработване на рецептури.

При конвенционалната емулсионна полимеризация, например за покрития на водна основа, частиците се изграждат от центъра към повърхността си. Кинетичните фактори влияят върху хомогенността и морфологията на частиците.

Ултразвуковата обработка може да се използва по два начина за получаване на полимерни емулсии.

• Отгоре надолу: Емулгиране/диспергиране на по-големи полимерни частици за получаване на по-малки частици чрез намаляване на размера
• Отдолу нагоре: Използване на ултразвук преди или по време на полимеризацията на частиците

 

В това видео Ви показваме ултразвукова система с мощност 2 киловата за проточна работа, разположена в шкаф с възможност за продухване. Hielscher доставя ултразвуково оборудване за почти всички отрасли, включително химическата, фармацевтичната и козметичната промишленост, нефтохимичните процеси, както и процесите на екстракция с разтворители. Този шкаф от неръждаема стомана с възможност за продухване е проектиран за работа във взривоопасни зони. За тази цел клиентът може да продухва уплътнения шкаф с азот или свеж въздух, за да предотврати проникването на запалими газове или пари в него.

 

Полимери под формата на наночастици в миниемулсии

Полимеризацията на частици в миниемулсии позволява производството на диспергирани полимерни частици с добър контрол върху размера им. Синтезът на полимерни наночастици в миниемулсии (известни също като нанореактори), представен от K. Landfester (2001), е отличен метод за образуване на полимерни наночастици. Този подход използва големия брой малки нанообеми (дисперсна фаза) в емулсията като нанореактори. В тях частиците се синтезират с висока степен на паралелност в отделните капчици с ограничен обем. В своята статия Landfester (2001) представя полимеризацията в нанореактори с висока степен на съвършенство за получаване на частици с много висока степен на идентичност и почти еднакъв размер. Изображението по-горе показва частици, получени чрез ултразвуково подпомогната полиадиция в миниемулсии.

Малките капчици, получени чрез прилагане на високо срязване (ултразвукова обработка) и стабилизирани със стабилизиращи агенти (емулгатори), могат да бъдат втвърдени чрез последваща полимеризация или чрез понижаване на температурата при материали с ниска температура на топене. Тъй като ултразвуковата обработка може да произвежда много малки капчици с почти еднакъв размер при периодична обработка и в производствения процес, тя позволява добър контрол върху крайния размер на частиците. За полимеризацията на наночастици хидрофилните мономери могат да се емулгират в органична фаза, а хидрофобните мономери – във вода.

При намаляване на размера на частиците общата площ на повърхността им едновременно се увеличава. Изображението вляво показва зависимостта между размера на частиците и площта на повърхността при сферични частици. Следователно количеството повърхностноактивно вещество, необходимо за стабилизиране на емулсията, нараства почти линейно с общата площ на повърхността на частиците. Видът и количеството на повърхностноактивното вещество влияят върху размера на капчиците. С помощта на анионни или катионни повърхностноактивни вещества могат да се получат капчици с размер от 30 до 200nm.

Пигменти в покритията

Органичните и неорганичните пигменти са важен компонент на рецептурите за покрития. За да се постигнат максимални експлоатационни характеристики на пигментите, е необходим добър контрол върху размера на частиците. При добавяне на пигментен прах към системи на водна основа, на основата на разтворители или епоксидни системи отделните пигментни частици имат склонност да образуват големи агломерати. Механизми с високо срязване, като роторно-статорни смесители или мелници с микросфери и бъркалка, се използват традиционно за разрушаване на такива агломерати и за смилане на отделните пигментни частици. Ултразвуковата обработка е изключително ефективна алтернатива за този етап от производството на покрития.

Графиките по-долу показват влиянието на ултразвуковата обработка върху размера на частиците на перлен пигмент. Ултразвукът смила отделните пигментни частици чрез високоскоростни сблъсъци между тях. Основното предимство на ултразвуковата обработка е силното въздействие на кавитационните сили на срязване, което прави използването на смилащи тела (например микросфери, перли) ненужно. Тъй като частиците се ускоряват от изключително бързи течни струи със скорост до 1000km/hr, те се сблъскват силно и се раздробяват на малки фрагменти. Абразивното износване на частиците придава гладка повърхност на ултразвуково смлените частици. Като цяло ултразвуковото смилане и диспергиране водят до разпределение на фини частици с еднакъв размер.

 

Ултразвуковото смилане и диспергиране често превъзхождат високоскоростните смесители и мелниците със смилащи тела, тъй като ултразвуковата обработка осигурява по-равномерна обработка на всички частици. По принцип ултразвуковата обработка води до по-малки размери на частиците и тясно разпределение на частиците по размер (криви на смилане на пигменти). Това подобрява общото качество на пигментните дисперсии, тъй като по-големите частици обикновено влошават обработваемостта, блясъка, устойчивостта и оптичния вид.

Тъй като смилането и раздробяването на частиците се основават на сблъсъци между частиците вследствие на ултразвуковата кавитация, ултразвуковите реактори могат да обработват сравнително високи концентрации на твърди вещества (например концентрирани смеси) и въпреки това да постигат добро намаляване на размера. Таблицата по-долу показва изображения на мокрото смилане на TiO2.

Графиката по-долу показва кривите на разпределението на частиците по размер при деагломерацията чрез ултразвукова обработка на титанов диоксид на Degussa в анатазна форма. Тясната форма на кривата след ултразвуковата обработка е типична особеност на ултразвуковата обработка.

Материали с наноразмери във високоефективни покрития

Нанотехнологията е развиваща се технология, която навлиза в много отрасли. Наноматериалите и нанокомпозитите се използват в рецептурите за покрития, например за подобряване на устойчивостта на абразивно износване и надраскване или на устойчивостта към UV лъчение. Най-голямото предизвикателство при прилагането им в покрития е запазването на прозрачността, оптичната яснота и блясъка. Затова наночастиците трябва да бъдат много малки, за да се избегне взаимодействие с видимия спектър на светлината. За много приложения този размер е значително под 100nm.

Мокрото смилане на високоефективни компоненти до нанометровия диапазон се превръща в решаващ етап при разработването на рецептури за покрития, проектирани на нанониво. Всички частици, които взаимодействат с видимата светлина, причиняват помътняване и загуба на прозрачност. Затова са необходими много тесни разпределения по размер. Ултразвуковата обработка е много ефективно средство за фино смилане на твърди вещества. Ултразвуковата / акустичната кавитация в течности причинява високоскоростни сблъсъци между частиците. За разлика от конвенционалните мелници с микросфери и мелници с камъчета, самите частици се раздробяват взаимно, което прави смилащите тела ненужни.

Компании като Panadur (Германия) използват ултразвукови устройства на Hielscher за диспергиране и деагломерация на наноматериали в покрития, нанасяни във формата. Щракнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковото диспергиране на покрития, нанасяни във формата!

За ултразвукова обработка на запалими течности или разтворители във взривоопасни среди се предлагат процесори, сертифицирани по ATEX. Научете повече за сертифицираното по ATEX ултразвуково устройство UIP1000-Exd!