Ultrazvuk u formulaciji premaza

Različite komponente, kao što su pigmenti, punila, hemijski aditivi, umrežavaoci i modifikatori reologije ulaze u formulacije premaza i boja. Ultrazvuk je efikasno sredstvo za disperziju i emulgiranje, deaglomeraciju i mljevenje takvih komponenti u premazima.

Ultrazvuk se koristi u formulaciji premaza za:

• emulgiranje polimera u vodenim sistemima
• dispergiranje i fino mljevenje pigmenata
• smanjenje veličine nanomaterijala u premazima visokih performansi

Premazi se dijele u dvije široke kategorije: smole i premazi na bazi vode i otapala. Svaka vrsta ima svoje izazove. Pravci koji zahtijevaju smanjenje VOC-a i visoke cijene rastvarača stimuliraju rast tehnologija premaza na bazi smole na bazi vode. Upotreba ultrazvučne obrade može poboljšati performanse takvih ekološki prihvatljivih sistema.

Poboljšana formulacija premaza zbog ultrazvučne obrade

Ultrazvuk može pomoći formulatorima arhitektonskih, industrijskih, automobilskih i drvenih premaza da poboljšaju karakteristike premaza, kao što su jačina boje, ogrebotine, pukotine i UV otpornost ili električna provodljivost. Neke od ovih karakteristika premaza postižu se uključivanjem materijala nano veličine, npr. metalnih oksida (TiO₂, silicijum dioksid, cerije, ZnO, …).

Ultrazvuk dodatno pomaže u otpjenjivanju (zarobljenim mjehurićima) i otplinjavanju (otopljeni plin) visoko viskoznih proizvoda. Pročitajte više o ultrazvučnoj deaeraciji i otplinjavanju tečnosti!

Kako se tehnologija ultrazvučnog dispergiranja može koristiti na nivou laboratorije, stolne i industrijske proizvodnje, omogućavajući protok preko 10 tona/sat, primjenjuje se u R&D fazi iu komercijalnoj proizvodnji. Rezultati procesa se mogu lako i linearno povećati.

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

Slijedeći donje veze, možete pročitati više o korištenju ultrazvuka visokih performansi za

• emulgiranje polimera u vodenim sistemima,
• dispergiranje i fino mljevenje pigmenata,
• i smanjenje veličine nanomaterijala.

Emulzijska polimerizacija pomoću ultrazvuka

Tradicionalne formulacije premaza koriste osnovnu hemiju polimera. Promjena tehnologije premaza na bazi vode ima utjecaj na odabir sirovina, svojstva i metodologije formulacije.

U konvencionalnoj emulzijskoj polimerizaciji, npr. za premaze na bazi vode, čestice se grade od centra prema njihovoj površini. Kinetički faktori utiču na homogenost i morfologiju čestica.

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

• odozgo prema dolje: Emulgirajuće/Raspršivanje većih polimernih čestica za stvaranje manjih čestica smanjenjem veličine
• odozdo prema gore: Upotreba ultrazvuka prije ili tokom polimerizacije čestica

 

 

Nanopartikularni polimeri u miniemulzijama

Polimerizacija čestica u miniemulzijama omogućava proizvodnju dispergovanih polimernih čestica uz dobru kontrolu nad veličinom čestica. Sinteza nanočestica polimera u miniemulzijama (takođe poznatim kao nanoreaktori), kako ih je predstavio K. Landfester (2001), odlična je metoda za formiranje polimernih nanočestica. Ovaj pristup koristi veliki broj malih nanokompartmana (disperzne faze) u emulziji kao nanoreaktorima. U njima se čestice sintetiziraju na vrlo paralelan način u pojedinačnim, ograničenim kapljicama. Landfester (2001) u svom radu predstavlja polimerizaciju u nanoreaktorima u visokom savršenstvu za stvaranje visoko identičnih čestica gotovo ujednačene veličine. Gornja slika prikazuje čestice dobijene ultrazvučno potpomognutom poliadicijom u miniemulzijama.

Male kapljice nastale primjenom visokog smicanja (ultrazvuk) i stabilizirane stabilizirajućim agensima (emulgatori), mogu se očvrsnuti naknadnom polimerizacijom ili smanjenjem temperature u slučaju materijala koji se tape na niskoj temperaturi. Kako ultrazvuk može proizvesti vrlo male kapljice gotovo ujednačene veličine u serijskom i proizvodnom procesu, omogućava dobru kontrolu nad konačnom veličinom čestica. Za polimerizaciju nanočestica, hidrofilni monomeri se mogu emulgovati u organsku fazu, a hidrofobni monomeri u vodi.

Prilikom smanjenja veličine čestica, ukupna površina čestica se istovremeno povećava. Slika lijevo prikazuje korelaciju između veličine čestica i površine u slučaju sfernih čestica. Stoga, količina surfaktanta potrebna za stabilizaciju emulzije raste gotovo linearno s ukupnom površinom čestica. Vrsta i količina surfaktanta utječu na veličinu kapljice. Kapljice od 30 do 200 nm mogu se dobiti upotrebom anionskih ili kationskih tenzida.

Pigmenti u premazima

Organski i anorganski pigmenti su važna komponenta formulacija premaza. Da bi se maksimizirao učinak pigmenta potrebna je dobra kontrola nad veličinom čestica. Prilikom dodavanja pigmentnog praha u sisteme na bazi vode, rastvarača ili epoksida, pojedinačne čestice pigmenta imaju tendenciju da formiraju velike aglomerate. Mehanizmi sa visokim smicanjem, kao što su mikseri rotor-stator ili mlinovi za mešanje perli, konvencionalno se koriste za razbijanje takvih aglomerata i za mlevenje pojedinačnih čestica pigmenta. Ultrazvuk je izuzetno efikasna alternativa za ovaj korak u proizvodnji premaza.

Donji grafikoni pokazuju utjecaj ultrazvučne obrade na veličinu pigmenta bisernog sjaja. Ultrazvuk melje pojedinačne čestice pigmenta brzim sudarom između čestica. Istaknuta prednost ultrazvučne obrade je veliki utjecaj kavitacijskih smičnih sila, što čini upotrebu medija za mljevenje (npr. perle, perle) nepotrebnom. Kako se čestice ubrzavaju ekstremno brzim mlazovima tekućine do 1000 km/h, oni se snažno sudaraju i razbijaju u male komadiće. Abrazija čestica daje ultrazvučno mljevenim česticama glatku površinu. Sve u svemu, ultrazvučno mljevenje i disperzija rezultiraju finom veličinom i ujednačenom distribucijom čestica.

 

Ultrazvučno mljevenje i dispergiranje često nadmašuje miksere velike brzine i mlinove medija jer ultrazvučna obrada omogućava konzistentniju obradu svih čestica. Općenito, ultrazvuk proizvodi manje veličine čestica i usku distribuciju veličine čestica (krivulje mljevenja pigmenta). Ovo poboljšava ukupni kvalitet disperzija pigmenta, jer veće čestice obično ometaju sposobnost obrade, sjaj, otpornost i optički izgled.

Budući da se mljevenje i mljevenje čestica zasniva na sudaru između čestica kao rezultat ultrazvučne kavitacije, ultrazvučni reaktori mogu podnijeti prilično visoke koncentracije čvrstih tvari (npr. master šarže) i još uvijek proizvesti dobre efekte smanjenja veličine. Tabela ispod prikazuje slike mokrog mljevenja TiO2.

Grafikon ispod prikazuje krivulje raspodjele veličine čestica za deaglomeraciju Degussa anataz titan dioksida ultrazvukom. Uski oblik krivulje nakon ultrazvučne obrade je tipična karakteristika ultrazvučne obrade.

Materijali nanoze u premazima visokih performansi

Nanotehnologija je nova tehnologija koja se probija u mnoge industrije. Nanomaterijali i nanokompoziti se koriste u formulacijama premaza, npr. za povećanje otpornosti na abraziju i grebanje ili UV-stabilnost. Najveći izazov za primjenu u premazima je zadržavanje transparentnosti, jasnoće i sjaja. Stoga, nanočestice moraju biti vrlo male kako bi se izbjegle interferencije s vidljivim spektrom svjetlosti. Za mnoge aplikacije, ovo je znatno niže od 100nm.

Vlažno mljevenje komponenti visokih performansi do nanometarskog raspona postaje ključni korak u formulaciji nanoinženjerskih premaza. Sve čestice koje ometaju vidljivu svjetlost, uzrokuju zamagljivanje i gubitak transparentnosti. Stoga su potrebne vrlo uske distribucije veličine. Ultrazvučna obrada je veoma efikasno sredstvo za fino mlevenje čvrstih materija. Ultrazvučna/akustična kavitacija u tekućinama uzrokuje velike brzine sudara između čestica. Za razliku od konvencionalnih mlinova za perle i šljunka, same čestice se međusobno usitnjavaju, čineći medij za mljevenje nepotrebnim.

Kompanije, kao Panadur (Njemačka) koristiti Hielscher ultrasonicators za dispergiranje i deaglomeraciju nanomaterijala u premazima u kalupima. Kliknite ovdje da pročitate više o ultrazvučnoj disperziji premaza u kalupu!

Za sonikaciju zapaljivih tečnosti ili rastvarača u opasnim okruženjima dostupni su procesori sa ATEX sertifikatom. Saznajte više o Atex sertifikovanom ultrasonikatoru UIP1000-Exd!