Ultrazvuk ve formulaci povlaku

Různé složky, jako jsou pigmenty, plniva, chemické přísady, síťovadla a modifikátory reologie, jdou do nátěrových hmot a nátěrových hmot. Ultrazvuk je účinným prostředkem pro dispergaci a emulgaci, deaglomeraci a mletí těchto složek v povlacích.

Ultrazvuk se používá při formulaci povlaků pro:

• Emulgace polymerů ve vodných systémech
• dispergace a jemné mletí pigmentů
• zmenšení velikosti nanomateriálů ve vysoce výkonných nátěrových hmotách

Nátěry spadají do dvou širokých kategorií: vodou ředitelné a rozpouštědlové pryskyřice a nátěry. Každý typ má své vlastní výzvy. Směry volající po snížení VOC a vysokých cenách rozpouštědel stimulují růst technologií nátěrů vodou ředitelnými pryskyřicemi. Použití ultrazvuku může zvýšit výkon těchto ekologických systémů.

Vylepšená formulace povlaku díky ultrazvuku

Ultrazvuk může pomoci formulátorům architektonických, průmyslových, automobilových a dřevěných nátěrů zlepšit vlastnosti povlaku, jako je barevná pevnost, odolnost proti poškrábání, prasklinám a UV záření nebo elektrická vodivost. Některé z těchto vlastností povlaku jsou dosaženy zahrnutím materiálů o nanovelikosti, např. oxidů kovů (TiO₂, oxid křemičitý, oxid křemičitý, ZnO, …).

Ultrazvuk dále pomáhá při odpěňování (zachycené bubliny) a odplyňování (rozpuštěný plyn) vysoce viskózních produktů. Přečtěte si více o ultrazvukovém odvzdušňování a odplyňování kapalin!

Vzhledem k tomu, že ultrazvuková dispergační technologie může být použita na úrovni laboratorní, stolní a průmyslové výroby, což umožňuje průchodnost přes 10 tun za hodinu, používá se v R&D a v komerční produkci. Výsledky procesu lze snadno a lineárně škálovat.

Hielscher ultrazvuková zařízení jsou velmi energeticky účinná. Zařízení přeměňují přibližně 80 až 90 % elektrického příkonu na mechanickou činnost v kapalině. To vede k podstatně nižším nákladům na zpracování.

Na níže uvedených odkazech si můžete přečíst více o použití vysoce výkonného ultrazvuku pro

• Emulgace polymerů ve vodných systémech,
• dispergace a jemné mletí pigmentů,
• a zmenšení velikosti nanomateriálů.

Emulzní polymerace pomocí sonikace

Tradiční nátěrové hmoty používají základní polymerní chemii. Změna na technologii nátěrů na vodní bázi má dopad na výběr surovin, vlastnosti a metodiky formulace.

Při konvenční emulzní polymeraci, např. u vodou ředitelných nátěrů, jsou částice vytvářeny od středu k jejich povrchu. Kinetické faktory ovlivňují homogenitu a morfologii částic.

Ultrazvukové zpracování lze použít dvěma způsoby: generovat polymerní emulze.

• shora dolů: Emulgátor/Dispergující větších polymerních částic pro generování menších částic zmenšením velikosti
• Zdola nahoru: Použití ultrazvuku před nebo během polymerace částic

 

 

Nanočásticové polymery v miniemulzích

Polymerace částic v miniemulzích umožňuje výrobu dispergovaných polymerních částic s dobrou kontrolou velikosti částic. Syntéza nanočásticových polymerních částic v miniemulzích (známých také jako nanoreaktory), jak ji představil K. Landfester (2001), je vynikající metodou pro tvorbu polymerních nanočástic. Tento přístup využívá vysoký počet malých nanokompartmentů (disperzní fáze) v emulzi jako nanoreaktorů. V nich jsou částice syntetizovány vysoce paralelním způsobem v jednotlivých, omezených kapkách. Landfester (2001) ve svém článku prezentuje polymeraci v nanoreaktorech ve vysoké dokonalosti pro generování vysoce identických částic téměř jednotné velikosti. Obrázek výše ukazuje částice získané ultrazvukem asistovanou polyadicí v miniemulzích.

Malé kapičky generované aplikací vysokého smyku (ultrazvuku) a stabilizované stabilizačními činidly (emulgátory) mohou být vytvrzeny následnou polymerací nebo snížením teploty v případě materiálů s nízkou teplotou tavení. Vzhledem k tomu, že ultrazvuku může produkovat velmi malé kapičky téměř jednotné velikosti v šarži a výrobním procesu, umožňuje dobrou kontrolu nad konečnou velikostí částic. Pro polymeraci nanočástic lze hydrofilní monomery emulgovat do organické fáze a hydrofobní monomery do vody.

Při zmenšování velikosti částic se současně zvětšuje celková plocha povrchu částic. Obrázek vlevo ukazuje korelaci mezi velikostí částic a povrchem v případě kulových částic. Proto se množství povrchově aktivní látky potřebné ke stabilizaci emulze zvyšuje téměř lineárně s celkovou plochou povrchu částic. Typ a množství povrchově aktivní látky ovlivňuje velikost kapiček. Kapičky o velikosti 30 až 200 nm lze získat pomocí aniontových nebo kationtových povrchově aktivních látek.

Pigmenty v nátěrových hmotách

Organické a anorganické pigmenty jsou důležitou složkou nátěrových hmot. Aby se maximalizoval výkon pigmentu, je nutná dobrá kontrola nad velikostí částic. Při přidávání pigmentového prášku do vodou ředitelných, rozpouštědlových nebo epoxidových systémů mají jednotlivé částice pigmentu tendenci tvořit velké aglomeráty. K rozbíjení těchto aglomerátů a k rozmělňování jednotlivých pigmentových částic se běžně používají mechanismy s vysokým smykovým třením, jako jsou míchačky rotor-stator nebo míchací perlové mlýny. Ultrazvuku v extrémně účinné alternativě pro tento krok při výrobě povlaků.

Níže uvedené grafy ukazují dopad sonikace na velikost perleťového lesklého pigmentu. Ultrazvuk rozmělňuje jednotlivé částice pigmentu vysokorychlostní srážkou mezi částicemi. Významnou výhodou ultrazvuku je vysoký dopad kavitačních smykových sil, díky čemuž není nutné používat brusná média (např. Korálky, perly). Vzhledem k tomu, že částice jsou urychlovány extrémně rychlými proudy kapaliny o rychlosti až 1000 km/h, prudce se srážejí a tříští na malé kousky. Abraze částic dává ultrazvukem mletým částicím hladký povrch. Celkově lze říci, že ultrazvukové frézování a disperze vede k jemné velikosti a rovnoměrné distribuci částic.

 

Ultrazvukové frézování a dispergování často vyniká vysokorychlostními mixéry a mediálními mlýny, protože sonikace poskytuje konzistentnější zpracování všech částic. Obecně platí, že ultrazvuku produkuje menší velikosti částic a úzkou distribuci velikosti částic (křivky mletí pigmentu). To zlepšuje celkovou kvalitu pigmentových disperzí, protože větší částice obvykle narušují schopnost zpracování, lesk, odolnost a optický vzhled.

Vzhledem k tomu, že mletí a mletí částic je založeno na kolizi mezi částicemi v důsledku ultrazvukové kavitace, mohou ultrazvukové reaktory zvládnout poměrně vysoké koncentrace pevných látek (např. hlavní šarže) a stále produkovat dobré efekty zmenšení velikosti. V níže uvedené tabulce jsou uvedeny obrázky mokrého mletí TiO2.

Níže uvedený graf ukazuje křivky distribuce velikosti částic pro deaglomeraci oxidu titaničitého Degussa anatasu ultrazvukem. Úzký tvar křivky po sonikaci je typickým rysem ultrazvukového zpracování.

Nanorozměrné materiály ve vysoce výkonných povlacích

Nanotechnologie je nově vznikající technologie, která si razí cestu do mnoha průmyslových odvětví. Nanomateriály a nanokompozity se používají v nátěrových hmotách, např. ke zvýšení odolnosti proti oděru a poškrábání nebo UV stability. Největší výzvou pro aplikaci v nátěrových hmotách je zachování průhlednosti, čirosti a lesku. Proto musí být nanočástice velmi malé, aby se zabránilo interferenci s viditelným spektrem světla. U mnoha aplikací je to podstatně méně než 100 nm.

Mokré mletí vysoce výkonných součástí v rozsahu nanometrů se stává zásadním krokem při formulaci nanoinženýrských povlaků. Jakékoli částice, které ruší viditelné světlo, způsobují zákal a ztrátu průhlednosti. Proto jsou vyžadovány velmi úzké distribuce velikosti. Ultrazvuku je velmi účinný prostředek pro jemné mletí pevných látek. Ultrazvuková? akustická kavitace v kapalinách způsobuje vysokorychlostní srážky mezi částicemi. Na rozdíl od konvenčních perlových mlýnů a oblázkových mlýnů se částice samy o sobě rozmělňují, takže mlecí médium není nutné.

Společnosti, jako je Panadur (Německo) použijte Hielscher ultrasonicators pro dispergaci a deaglomeraci nanomateriálů v povlacích ve formě. Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukové disperzi in-mould povlaků!

Pro sonikaci hořlavých kapalin nebo rozpouštědel v nebezpečných prostředích jsou k dispozici procesory s certifikací ATEX. Zjistěte více o ultrasonikátoru s certifikací Atex UIP1000-Exd!