Ултразвук за диспергиране и смилане: бои и пигменти

Мощният ултразвук е добре известен със своите интензивни и прецизно контролируеми ефекти при смилане и диспергиране. Това прави ултразвуковите хомогенизатори идеални за производството на пигментни пасти и формулации на бои. Промишлените ултразвукови устройства осигуряват изключително равномерно разпределение на размера на частиците в микрометровия и нанометровия диапазон. Обработвайте потоци с голям обем и висок вискозитет с ултразвуковите устройства на Hielscher, за да постигнете равномерно омокряне, диспергиране, деагломерация и смилане!

Производство на бои с ултразвук

Подобрете своите бои, оцветители и покрития чрез ултразвукова обработка:

• Формулация: Независимо дали става дума за висок вискозитет, високо съдържание на частици, водна основа или основа от разтворители – с промишлените ултразвукови устройства на Hielscher за вграждане в технологичната линия можете да обработвате всяка формулация.
• Микрометрови и нанометрови размери: Високите сили на срязване, генерирани от акустичната кавитация, намаляват диаметъра на частиците до изключително малки размери и осигуряват равномерно диспергиране. Настройването на параметрите на ултразвуковата обработка според изискванията към частиците и формулацията позволява надеждно производство на пигменти с нанометрови размери.
• Оптични свойства: За да се постигнат правилните оптични свойства, размерът на пигментните частици трябва да се контролира. Обикновено непрозрачността е свързана с размера на частиците: колкото по-малки са частиците, толкова по-голяма е непрозрачността. Например TiO2 се обработва специално до размер на частиците от 0,20 до 0,3 микрометра, което приблизително съответства на половината от дължината на вълната на светлината. Ултразвуковата обработка намалява размера на пигментите TiO2 до оптималния, така че да се постигне максимална покривност.
• Частици с високи експлоатационни характеристики: По-малкият размер на частиците води до по-голяма наситеност, равномерност и стабилност на цвета. Интензивните, но прецизно контролируеми ултразвукови сили позволяват производството на модифицирани и функционализирани наночастици, като частици с покритие, SWNTs, MWCNTs и частици със структура ядро–обвивка. Такива частици проявяват уникални характеристики и извеждат формулациите на бои или покрития на ново ниво на качество и функционалност (напр. устойчивост на UV лъчение, устойчивост на надраскване, якост, адхезия, висока топлоустойчивост, отражателна способност за инфрачервено и слънчево лъчение).
• Модифицирани частици: Пигментите с модифицирана повърхност имат много нисък вискозитет при високо съдържание на пигмент (2,5cP при 10% твърдо вещество), превъзходна стабилност на суспензията и висока чистота. Функционализирането на частиците с помощта на ултразвук улеснява синтеза на пигменти с високи експлоатационни характеристики и специални свойства.

Пигментните пасти, смлени и диспергирани чрез ултразвукова кавитация и високи сили на срязване, показват значително намаляване на размера на частиците и равномерно разпределение. Графиката по-горе показва все по-голямото намаляване на размера с увеличаването на ултразвуковата енергия.

За производството на боя компонентите като пигменти, свързващи вещества/ филмообразуватели, разредители/ разтворители, смоли, пълнители и добавки трябва да се смесят в хомогенна формулация. Пигментите са определящият компонент, който придава цвета на боята. Най-важният бял пигмент е TiO2, който трябва да се смели до оптимален диаметър на частиците между 0,2 и 0,3 микрометра, за да прояви желаната степен на белота, яркост, непрозрачност и много висок показател на пречупване. Ултразвуковите сили на срязване осигуряват много ефективна и енергийно ефективна деагломерация и диспергиране на частиците TiO2 (вижте изображението по-долу).

Изображение от трансмисионна електронна микроскопия (TEM) на ултразвуково диспергирана суспензия от наночастици TiO2 с различни концентрации на твърдо вещество. Ултразвуковата обработка е извършена с помощта на ултразвуковото устройство UIP1000hdT
Вляво: внесена ултразвукова енергия 1,8 × 10⁵ J/L – Вдясно: внесена ултразвукова енергия 5,4 × 10⁵ J/L
(Изследване и изображения: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ултразвуковото смилане и диспергиране повишават качеството на боята, като подобряват нейната оцветяваща сила, плътност, финост на смилане, дисперсност и реология.

Условия за ултразвуково диспергиране и смилане

Качеството на боите и покритията зависи от хомогенното диспергиране на пигментите. Hielscher Ultrasonics доставя ефективно оборудване за смилане и фино смилане за диспергиране на бои, особено за формулации с високо съдържание на пигмент. Механизмът на ултразвуковите диспергатори за приложения за смилане, фино смилане, деагломерация и диспергиране се основава главно на срязването, генерирано от ултразвуковата кавитация. Кавитационните сили на срязване, необходими за разделянето на частиците, се създават от големи разлики в налягането, локални зони с висока температура и течни струи, което води до раздробяване на частиците чрез сблъсъци помежду им.
Промишлените ултразвукови диспергатори, като UIP16000hdT с 16 000 вата на ултразвукова сонда, имат капацитет да обработват потоци от бои и покрития с голям обем.

Обработената с ултразвук тебеширена боя върху гриндометъра демонстрира идеално равномерна деагломерация и разпределение на размера на пигментните частици

Диспергиране на наночастици

Ултразвуковото смилане и диспергиране често е единственият метод за ефективна обработка на наночастици с цел получаване на поотделно диспергирани първични частици. Малкият размер на първичните частици води до голяма повърхностна площ и е свързан с проявата на уникални характеристики и функционалности на частиците. Същевременно по-малкият размер на частиците е свързан с висока повърхностна енергия, водеща до по-силна агрегация и реактивност, поради което са необходими интензивните ултразвукови диспергиращи сили, за да се диспергират наночастиците хомогенно във формулацията.
Освен това ултразвуковата повърхностна обработка може да модифицира наночастиците, което води до подобрена диспергируемост, стабилност на дисперсията, хидрофобност и други свойства.
Изследователите препоръчват метода на ултразвуково диспергиране като предпочитано решение за наночастици, „защото материалът, диспергиран чрез ултразвуковия метод, е много по-чист от този, получен чрез смилане в мелница с микросфери.“ [Kim et al. 2010].

Технологията за ултразвуково диспергиране има много предимства в сравнение с традиционните технологии за смилане, като тривалцови мелници, топкови мелници или мелници със смилащи тела.

Прочетете повече за ултразвуковата хомогенизация и диспергиране на пигменти и оцветители за концентрати и формулации на бои!

Литература / Източници

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.