Ултразвук във формулата на покритието

Различни компоненти, като пигменти, пълнители, химически добавки, омрежващи устройства и модификатори на реологията, влизат във формулировките на покритията и боята. Ултразвукът е ефективно средство за диспергиране и емулгиране, деагломерация и фрезоване на такива компоненти в покрития.

Ултразвукът се използва при формулирането на покрития за:

• емулгиране на полимери във водни системи
• диспергиране и фино смилане на пигменти
• намаляване на размера на наноматериалите във високоефективните покрития

Покритията попадат в две широки категории: смоли и покрития на водна основа и на основата на разтворители. Всеки тип има своите предизвикателства. Указанията, призоваващи за намаляване на ЛОС и високи цени на разтворителите, стимулират растежа на технологиите за покритие на водна смола. Използването на ултразвук може да подобри производителността на такива екологични системи.

Подобрена формула на покритието поради ултразвук

Ултразвукът може да помогне на създателите на архитектурни, индустриални, автомобилни и дървени покрития да подобрят характеристиките на покритието, като здравина на цвета, надраскване, пукнатини и UV устойчивост или електрическа проводимост. Някои от тези характеристики на покритието се постигат чрез включването на наноразмерни материали, например метални оксиди (TiO₂, силициев диоксид, церия, ZnO, …).

Ултразвукът допълнително помага при разпенването (уловени мехурчета) и дегазирането (разтворен газ) на силно вискозни продукти. Прочетете повече за ултразвуковата деаерация и дегазация на течности!

Тъй като ултразвуковата технология за диспергиране може да се използва на лабораторно, настолно и промишлено производствено ниво, което позволява скорост на производителност над 10 тона/час, тя се прилага в R&Етап D и в комерсиалната продукция. Резултатите от процеса могат да бъдат мащабирани лесно и линейно.

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

Следвайки 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 наноматериалите.

Емулсионна полимеризация с помощта на соникация

Традиционните формулировки за покрития използват основна полимерна химия. Промяната в технологията за покритие на водна основа оказва влияние върху избора на суровини, свойствата и методологиите за формулиране.

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

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

• отгоре надолу: Емулгиране/Разпръскване от по-големи полимерни частици за генериране на по-малки частици чрез намаляване на размера
• отдолу нагоре: Използване на ултразвук преди или по време на полимеризация на частици

 

 

Наночастици полимери в миниемулсии

Полимеризацията на частиците в миниемулсии позволява производството на дисперсни полимерни частици с добър контрол върху размера на частиците. Синтезът на наночастици полимерни частици в миниемулсии (известни също като нанореактори), както е представен от K. Landfester (2001), е отличен метод за образуване на полимерни наночастици. Този подход използва големия брой малки нанокомпартменти (дисперсна фаза) в емулсия като нанореактори. При тях частиците се синтезират по силно паралелен начин в отделните, ограничени капчици. В своята статия Ландфестер (2001) представя полимеризацията в нанореакторите във високо съвършенство за генериране на много идентични частици с почти еднакъв размер. Изображението по-горе показва частици, получени чрез ултразвуково подпомагана полиадмисия в миниемулсии.

Малките капчици, генерирани от прилагането на високо срязване (ултразвук) и стабилизирани от стабилизиращи агенти (емулгатори), могат да бъдат втвърдени чрез последваща полимеризация или чрез понижаване на температурата в случай на нискотемпературни топящи се материали. Тъй като ултразвукът може да произведе много малки капчици с почти еднакъв размер в партидата и производствения процес, той позволява добър контрол върху крайния размер на частиците. За полимеризацията на наночастици хидрофилните мономери могат да бъдат емулгирани в органична фаза, а хидрофобните мономери във вода.

При намаляване на размера на частиците общата повърхност на частиците се увеличава едновременно. Снимката вляво показва корелацията между размера на частиците и повърхността в случай на сферични частици. Следователно количеството повърхностно активно вещество, необходимо за стабилизиране на емулсията, се увеличава почти линейно с общата повърхност на частиците. Видът и количеството повърхностно активно вещество влияе върху размера на капчиците. Капчици от 30 до 200 nm могат да бъдат получени с помощта на анионни или катионни повърхностноактивни вещества.

Пигменти в покрития

Органичните и неорганичните пигменти са важен компонент на формулировките на покритията. За да се увеличи максимално ефективността на пигмента, е необходим добър контрол върху размера на частиците. При добавяне на пигментен прах към водни, разтворители или епоксидни системи, отделните пигментни частици са склонни да образуват големи агломерати. Механизми с високо срязване, като роторно-статорни смесители или мелници за бъркалка, обикновено се използват за разбиване на такива агломерати и за смилане на отделните пигментни частици. Ултразвукът е изключително ефективна алтернатива за тази стъпка в производството на покрития.

Графиките по-долу показват въздействието на ултразвука върху размера на перлен блясък на пигмента. Ултразвукът смила отделните пигментни частици чрез високоскоростен сблъсък между частиците. Предимството на ултразвука е голямото въздействие на кавитационните сили на срязване, което прави използването на шлифовъчни среди (напр. мъниста, перли) ненужно. Тъй като частиците се ускоряват от изключително бързи течни струи до 1000 км/ч, те се сблъскват силно и се разбиват на малки парченца. Абразията на частиците придава на ултразвуково фрезованите частици гладка повърхност. Като цяло ултразвуковото фрезоване и дисперсия водят до фино и равномерно разпределение на частиците.

 

Ултразвуковото фрезоване и диспергиране често превъзхожда високоскоростните смесители и мултимедийните мелници, тъй като ултразвукът осигурява по-последователна обработка на всички частици. Обикновено ултразвукът произвежда по-малки размери на частиците и тясно разпределение на размера на частиците (криви на смилане на пигмента). Това подобрява цялостното качество на пигментните дисперсии, тъй като по-големите частици обикновено пречат на способността за обработка, блясъка, устойчивостта и оптичния вид.

Тъй като смилането и смилането на частици се основава на сблъсък между частиците в резултат на ултразвукова кавитация, ултразвуковите реактори могат да се справят с доста високи концентрации на твърди вещества (напр. главни партиди) и все пак да произвеждат добри ефекти на намаляване на размера. Таблицата по-долу показва снимки на мокрото смилане на TiO2.

Графиката по-долу показва кривите на разпределение на размера на частиците за деагломерация на титанов диоксид Degussa anatase чрез ултразвук. Тясната форма на извивката след ултразвукова обработка е типична характеристика на ултразвуковата обработка.

Наноразмерни материали във високоефективни покрития

Нанотехнологиите са нововъзникваща технология, която си проправя път в много индустрии. Наноматериалите и нанокомпозитите се използват във формулировките на покритията, например за подобряване на устойчивостта на абразия и надраскване или UV-стабилността. Най-голямото предизвикателство за нанасяне в покритията е запазването на прозрачност, яснота и блясък. Следователно наночастиците трябва да са много малки, за да се избегне смущение във видимия спектър на светлината. За много приложения това е значително по-ниско от 100nm.

Мокрото шлайфане на високоефективни компоненти до нанометров диапазон се превръща в решаваща стъпка във формулирането на наноинженерни покрития. Всички частици, които пречат на видимата светлина, причиняват мъгла и загуба на прозрачност. Следователно са необходими много тесни разпределения на размерите. Ултразвукът е много ефективно средство за фино смилане на твърди частици. Ултразвуковата/акустичната кавитация в течности причинява високоскоростни сблъсъци между частици. За разлика от конвенционалните мелници за мъниста и мелници за камъчета, самите частици се раздробяват една друга, което прави фрезовите среди ненужни.

Компании, като Panadur (Германия) използвайте ултразвукови апарати Hielscher за диспергиране и деагломерация на наноматериали в покрития в матрицата. Кликнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковата дисперсия на покритията в матрицата!

За ултразвук на запалими течности или разтворители в опасни среди се предлагат сертифицирани от ATEX процесори. Научете повече за сертифицирания от Atex ултразвуков апарат UIP1000-Exd!