Ultrazvuk u formulaciji premaza

Različite komponente, kao što su pigmenti, punila, hemijski aditivi, umreživači i modifikatori reologije, ulaze u formulacije premaza i boja. Ultrazvuk je djelotvorno sredstvo za dispergovanje i emulgovanje, deaglomeraciju i mljevenje takvih komponenti u premazima.

Ultrazvuk se koristi u formulaciji premaza za:

• emulgovanje polimera u vodenim sistemima
• dispergovanje i fino mljevenje pigmenata
• smanjenje veličine nanomaterijala u visokoučinkovitim premazima

Premazi se dijele u dvije široke kategorije: smole i premazi na vodenoj osnovi i smole i premazi na bazi otapala. Svaka vrsta ima vlastite izazove. Smjernice koje zahtijevaju smanjenje VOC-a i visoke cijene otapala podstiču rast tehnologija premaza sa smolama na vodenoj osnovi. Primjena ultrazvučne obrade može poboljšati performanse takvih ekološki prihvatljivih sistema.

Poboljšana formulacija premaza zahvaljujući ultrazvučnoj obradi

Ultrazvuk može pomoći formulatorima arhitektonskih, industrijskih, automobilskih i premaza za drvo da poboljšaju karakteristike premaza, kao što su jačina boje, otpornost na grebanje, pucanje i UV zračenje ili električna provodljivost. Neke od ovih karakteristika premaza postižu se dodavanjem materijala nanoveličine, npr. metalnih oksida (TiO₂, silicijev dioksid, cerijev oksid, ZnO, …).

Ultrazvuk dodatno pomaže u uklanjanju pjene (zarobljeni mjehurići) i otplinjavanju (otopljeni plin) visokoviskoznih proizvoda. Pročitajte više o ultrazvučnom odzračivanju i otplinjavanju tečnosti!

Budući da se ultrazvučna tehnologija dispergovanja može koristiti na laboratorijskom, stolnom i industrijskom proizvodnom nivou, uz protoke veće od 10 tona/sat, primjenjuje se u fazi istraživanja i razvoja te u komercijalnoj proizvodnji. Rezultati procesa mogu se jednostavno i linearno povećati na veću skalu.

Hielscher ultrazvučni uređaji vrlo su energetski učinkoviti. Uređaji pretvaraju približno 80 do 90 % ulazne električne snage u mehaničko djelovanje u tečnosti. To dovodi do znatno nižih troškova obrade.

Putem donjih poveznica možete pročitati više o primjeni ultrazvuka visokih performansi za

• emulgovanje polimera u vodenim sistemima,
• dispergovanje i fino mljevenje pigmenata,
• i smanjenje veličine nanomaterijala.

Emulziona polimerizacija uz ultrazvučnu obradu

Tradicionalne formulacije premaza koriste osnovnu hemiju polimera. Prelazak na tehnologiju premaza na vodenoj osnovi utiče na izbor sirovina, svojstva i metodologije formulacije.

U konvencionalnoj emulzionoj polimerizaciji, npr. za premaze na vodenoj osnovi, čestice se grade od centra prema svojoj površini. Kinetički faktori utiču na homogenost i morfologiju čestica.

Ultrazvučna obrada može se koristiti na dva načina za dobijanje polimernih emulzija.

• Od vrha prema dnu (top-down): Emulgovanje/dispergovanje većih polimernih čestica radi dobijanja manjih čestica smanjenjem veličine
• Od dna prema vrhu (bottom-up): upotreba ultrazvuka prije ili tokom polimerizacije čestica

 

U ovom videu prikazujemo ultrazvučni sistem od 2 kilovata za protočni rad, smješten u ormar s mogućnošću propuhivanja. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu za gotovo sve industrije, uključujući hemijsku, farmaceutsku i kozmetičku industriju, petrohemijske procese te procese ekstrakcije rastvaračima. Ovaj ormar od nehrđajućeg čelika s mogućnošću propuhivanja predviđen je za rad u opasnim zonama. U tu svrhu korisnik može propuhivati zabrtvljeni ormar azotom ili svježim zrakom kako bi spriječio ulazak zapaljivih plinova ili para u ormar.

 

Nanočestični polimeri u miniemulzijama

Polimerizacija čestica u miniemulzijama omogućava proizvodnju dispergovanih polimernih čestica uz dobru kontrolu veličine čestica. Sinteza nanočestičnih polimernih čestica u miniemulzijama (poznatih i kao nanoreaktori), kako ju je predstavila K. Landfester (2001), izvrsna je metoda za stvaranje polimernih nanočestica. Ovaj pristup koristi veliki broj sitnih nanokompartmana (disperzna faza) u emulziji kao nanoreaktore. U njima se čestice sintetišu na visoko paralelan način u pojedinačnim, zatvorenim kapljicama. U svom radu Landfester (2001) predstavlja polimerizaciju u nanoreaktorima u visokom savršenstvu za dobijanje visoko identičnih čestica gotovo ujednačene veličine. Gornja slika prikazuje čestice dobijene ultrazvučno potpomognutom poliadicijom u miniemulzijama.

Male kapljice nastale primjenom visokog smicanja (ultrazvučna obrada) i stabilizirane stabilizatorima (emulgatorima) mogu se očvrsnuti naknadnom polimerizacijom ili snižavanjem temperature u slučaju materijala niske tačke topljenja. Budući da ultrazvučna obrada može proizvesti vrlo male kapljice gotovo ujednačene veličine u šaržnom i proizvodnom procesu, omogućava dobru kontrolu konačne veličine čestica. Za polimerizaciju nanočestica hidrofilni monomeri mogu se emulgovati u organsku fazu, a hidrofobni monomeri u vodu.

Kada se veličina čestica smanjuje, istovremeno se povećava ukupna površina čestica. Slika lijevo prikazuje korelaciju između veličine čestica i površine u slučaju sfernih čestica. Zbog toga količina surfaktanta potrebna za stabilizaciju emulzije raste gotovo linearno s ukupnom površinom čestica. Vrsta i količina surfaktanta utiču na veličinu kapljica. Kapljice od 30 do 200nm mogu se dobiti korištenjem anionskih ili kationskih surfaktanata.

Pigmenti u premazima

Organski i anorganski pigmenti važna su komponenta formulacija premaza. Da bi se maksimalno povećale performanse pigmenta, potrebna je dobra kontrola veličine čestica. Pri dodavanju pigmentnog praha sistemima na vodenoj osnovi, na bazi otapala ili epoksidnim sistemima, pojedinačne čestice pigmenta teže stvaranju velikih aglomerata. Mehanizmi visokog smicanja, kao što su miješalice s rotorom i statorom ili mlinovi s mješačem i kuglicama, konvencionalno se koriste za razbijanje takvih aglomerata i za usitnjavanje pojedinačnih čestica pigmenta. Ultrazvučna obrada izuzetno je djelotvorna alternativa za ovaj korak u proizvodnji premaza.

Grafikoni ispod prikazuju učinak ultrazvučne obrade na veličinu biserno sjajnog pigmenta. Ultrazvuk melje pojedinačne čestice pigmenta međučestičnim sudarima velike brzine. Istaknuta prednost ultrazvučne obrade je snažno djelovanje kavitacijskih smičnih sila, zbog čega je upotreba medija za mljevenje (npr. kuglica, perli) nepotrebna. Budući da se čestice ubrzavaju izuzetno brzim mlazevima tečnosti do 1000km/hr, one se silovito sudaraju i razbijaju na sitne komadiće. Abrazija čestica daje ultrazvučno samljevenim česticama glatku površinu. Sveukupno, ultrazvučno mljevenje i dispergovanje rezultira finom veličinom i ujednačenom raspodjelom čestica.

Ultrazvučno mljevenje i dispergovanje često nadmašuje brzohodne miješalice i mlinove s medijima za mljevenje jer ultrazvučna obrada osigurava ujednačeniju obradu svih čestica. Općenito, ultrazvučna obrada proizvodi manje veličine čestica i usku raspodjelu veličine čestica (krivulje mljevenja pigmenata). To poboljšava ukupni kvalitet disperzija pigmenata, jer veće čestice obično ometaju mogućnost obrade, sjaj, otpornost i optički izgled.

Budući da se mljevenje i usitnjavanje čestica zasniva na međučestičnim sudarima kao posljedici ultrazvučne kavitacije, ultrazvučni reaktori mogu podnijeti prilično visoke koncentracije čvrstih tvari (npr. master batch smjese) i pritom ostvariti dobre učinke smanjenja veličine. Tabela ispod prikazuje slike mokrog mljevenja TiO2.

Dijagram ispod prikazuje krivulje raspodjele veličine čestica za deaglomeraciju Degussa anatas titanijevog dioksida ultrazvučnom obradom. Uski oblik krivulje nakon ultrazvučne obrade tipična je odlika ultrazvučne obrade.

Materijali nanoveličine u visokoučinkovitim premazima

Nanotehnologija je tehnologija u nastajanju koja se probija u mnoge industrije. Nanomaterijali i nanokompoziti koriste se u formulacijama premaza, npr. za poboljšanje otpornosti na abraziju i grebanje ili UV stabilnosti. Najveći izazov za primjenu u premazima je očuvanje prozirnosti, bistrine i sjaja. Zbog toga nanočestice moraju biti vrlo male kako bi se izbjegla interferencija s vidljivim spektrom svjetlosti. Za mnoge primjene to je znatno manje od 100nm.

Mokro mljevenje visokoučinkovitih komponenti do nanometarskog raspona postaje ključni korak u formulaciji nanoinženjerskih premaza. Sve čestice koje ometaju vidljivu svjetlost uzrokuju zamućenost i gubitak prozirnosti. Zbog toga su potrebne vrlo uske raspodjele veličine. Ultrazvučna obrada vrlo je djelotvorno sredstvo za fino mljevenje čvrstih tvari. Ultrazvučna / akustična kavitacija u tečnostima uzrokuje međučestične sudare velike brzine. Za razliku od konvencionalnih mlinova s kuglicama i mlinova s oblucima, same se čestice međusobno usitnjavaju, čime mediji za mljevenje postaju nepotrebni.

Kompanije poput Panadur (Njemačka) koriste Hielscher ultrazvučne uređaje za dispergovanje i deaglomeraciju nanomaterijala u premazima u kalupu. Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučnom dispergovanju premaza u kalupu!

Za ultrazvučnu obradu zapaljivih tečnosti ili otapala u opasnim okruženjima dostupni su procesori s ATEX certifikatom. Saznajte više o ultrazvučnom uređaju UIP1000-Exd s Atex certifikatom!