Ultrazvuk ve formulaci nátěrových hmot

Do formulací povlakových a nátěrových hmot vstupují různé složky, jako jsou pigmenty, plniva, chemická aditiva, síťovadla a modifikátory reologie. Ultrazvuk je účinným prostředkem pro dispergaci a emulgaci, deaglomeraci a mletí těchto složek v nátěrových hmotách.

Ultrazvuk se při formulaci nátěrových hmot používá pro:

• emulgaci polymerů ve vodných systémech
• dispergaci a jemné mletí pigmentů
• zmenšování velikosti nanomateriálů ve vysoce výkonných nátěrových hmotách

Nátěrové hmoty se dělí do dvou širokých kategorií: pryskyřice a nátěrové hmoty na vodní bázi a na bázi rozpouštědel. Každý typ má své vlastní výzvy. Směrnice požadující snížení VOC a vysoké ceny rozpouštědel podněcují růst technologií nátěrových hmot s pryskyřicemi na vodní bázi. Použití sonikace může zlepšit výkonnost těchto ekologických systémů.

Lepší formulace nátěrových hmot díky sonikaci

Ultrazvuk může pomoci formulátorům architektonických, průmyslových, automobilových nátěrových hmot a nátěrových hmot na dřevo zlepšit vlastnosti povlaku, jako je barevná síla, odolnost proti poškrábání, praskání a UV záření nebo elektrická vodivost. Některých z těchto vlastností povlaku se dosahuje přidáním materiálů nanometrické velikosti, např. oxidů kovů (TiO₂, oxid křemičitý, oxid ceričitý, ZnO, …).

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

Protože technologii ultrazvukové dispergace lze používat v laboratorním, stolním i průmyslovém výrobním měřítku a umožňuje průchodnost přes 10 tun/hodinu, uplatňuje se jak ve fázi výzkumu a vývoje, tak v komerční výrobě. Výsledky procesu lze snadno a lineárně převést do většího měřítka.

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou velmi energeticky účinné. Přístroje přeměňují přibližně 80 až 90 % elektrického příkonu na mechanickou aktivitu v kapalině. To vede k podstatně nižším nákladům na zpracování.

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

• emulgaci polymerů ve vodných systémech,
• dispergaci a jemné mletí pigmentů,
• a zmenšování velikosti nanomateriálů.

Emulzní polymerace pomocí sonikace

Tradiční formulace nátěrových hmot využívají základní chemii polymerů. Přechod na technologii nátěrových hmot na vodní bázi má dopad na výběr surovin, vlastnosti a metodiky formulace.

Při konvenční emulzní polymeraci, např. pro nátěrové hmoty na vodní bázi, se částice vytvářejí od středu směrem k povrchu. Homogenitu a morfologii částic ovlivňují kinetické faktory.

Ultrazvukové zpracování lze k přípravě polymerních emulzí použít dvěma způsoby.

• Top-Down: Emulgace/dispergace větších polymerních částic za účelem získání menších částic zmenšením velikosti
• Bottom-Up: Použití ultrazvuku před polymerací částic nebo během ní

 

V tomto videu vám představíme ultrazvukový systém s výkonem 2 kilowatty pro průtočný provoz ve skříni s proplachem. Hielscher dodává ultrazvukové přístroje téměř do všech průmyslových odvětví, například do chemického, farmaceutického a kosmetického průmyslu, pro petrochemické procesy i pro extrakční procesy využívající rozpouštědla. Tato nerezová skříň s proplachem je určena pro provoz v prostředí s nebezpečím výbuchu. Zákazník může utěsněnou skříň proplachovat dusíkem nebo čerstvým vzduchem, aby zabránil vnikání hořlavých plynů nebo par do jejího vnitřního prostoru.

 

Nanočásticové polymery v miniemulzích

Polymerace částic v miniemulzích umožňuje výrobu dispergovaných polymerních částic s dobrou kontrolou nad velikostí částic. Syntéza nanočásticových polymerních částic v miniemulzích (známých také jako nanoreaktory), jak ji představila K. Landfester (2001), je vynikající metodou pro tvorbu polymerních nanočástic. Tento přístup využívá velký počet malých nanokompartmentů (dispergovaná fáze) v emulzi jako nanoreaktory. V nich jsou částice syntetizovány vysoce paralelním způsobem v jednotlivých ohraničených kapičkách. Landfester (2001) ve své práci představuje polymeraci v nanoreaktorech ve vysoké dokonalosti pro vytváření vysoce identických částic téměř jednotné velikosti. Obrázek výše ukazuje částice získané ultrazvukem podporovanou polyadicí v miniemulzích.

Malé kapičky vytvořené působením vysokého smyku (sonikací) a stabilizované stabilizačními činidly (emulgátory) lze vytvrdit následnou polymerací nebo v případě materiálů s nízkou teplotou tání snížením teploty. Protože sonikace dokáže vytvářet velmi malé kapičky téměř jednotné velikosti v dávkovém i 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 celkový povrch částic. Obrázek vlevo ukazuje vztah mezi velikostí částic a povrchem v případě sférických částic. Proto množství povrchově aktivní látky potřebné ke stabilizaci emulze roste téměř lineárně s celkovým povrchem částic. Typ a množství povrchově aktivní látky ovlivňují velikost kapiček. Pomocí aniontových nebo kationtových povrchově aktivních látek lze získat kapičky o velikosti 30 až 200 nm.

Pigmenty v nátěrových hmotách

Organické a anorganické pigmenty jsou důležitou složkou formulací nátěrových hmot. Pro maximalizaci výkonnosti pigmentu je nutná dobrá kontrola nad velikostí částic. Při přidávání pigmentového prášku do systémů na vodní bázi, na bázi rozpouštědel nebo do epoxidových systémů mají jednotlivé částice pigmentu tendenci tvořit velké aglomeráty. K rozbití těchto aglomerátů a k rozemletí jednotlivých částic pigmentu se konvenčně používají vysokosmykové mechanismy, jako jsou rotor-stator mixéry nebo míchané kuličkové mlýny. Sonikace je pro tento krok výroby nátěrových hmot mimořádně účinnou alternativou.

Grafy níže ukazují vliv sonikace na velikost perleťového pigmentu. Ultrazvuk mele jednotlivé částice pigmentu vysokorychlostními srážkami mezi částicemi. Významnou výhodou sonikace je silné působení kavitačních smykových sil, díky němuž je použití mlecích těles (např. kuliček, perel) zbytečné. Protože jsou částice urychlovány extrémně rychlými proudy kapaliny o rychlosti až 1000 km/h, prudce se srážejí a tříští se na malé kousky. Otěr částic dodává ultrazvukem mletým částicím hladký povrch. Celkově vede ultrazvukové mletí a dispergace k jemné a jednotné distribuci částic.

Ultrazvukové mletí a dispergace často předčí vysokorychlostní mixéry a mlýny s mlecími tělesy, protože sonikace zajišťuje konzistentnější zpracování všech částic. Obecně sonikace vytváří menší velikosti částic a úzkou distribuci velikosti částic (křivky mletí pigmentů). To zlepšuje celkovou kvalitu pigmentových disperzí, protože větší částice obvykle negativně ovlivňují zpracovatelnost, lesk, odolnost a optický vzhled.

Protože mletí a drcení částic je založeno na srážkách mezi částicemi v důsledku ultrazvukové kavitace, ultrazvukové reaktory zvládají poměrně vysoké koncentrace pevných látek (např. masterbatche) a přesto dosahují dobrých účinků zmenšení velikosti. Tabulka níže ukazuje snímky mokrého mletí TiO2.

Graf níže ukazuje křivky distribuce velikosti částic při deaglomeraci anatasového oxidu titaničitého Degussa pomocí sonikace. Úzký tvar křivky po sonikaci je typickým znakem ultrazvukového zpracování.

Nanomateriály ve vysoce výkonných nátěrových hmotách

Nanotechnologie je nastupující technologie, která proniká do mnoha průmyslových odvětví. Nanomateriály a nanokompozity se používají ve formulacích nátěrových hmot, např. ke zlepšení odolnosti proti oděru a poškrábání nebo UV stability. Největší výzvou pro použití v nátěrových hmotách je zachování průhlednosti, čirosti a lesku. Proto musí být nanočástice velmi malé, aby nedocházelo k interferenci s viditelným spektrem světla. Pro mnoho aplikací to znamená podstatně méně než 100 nm.

Mokré mletí vysoce výkonných složek do nanometrového rozsahu se stává klíčovým krokem při formulaci nanoinženýrských nátěrových hmot. Jakékoli částice, které interferují s viditelným světlem, způsobují zákal a ztrátu průhlednosti. Proto jsou vyžadovány velmi úzké distribuce velikosti. Sonikace je velmi účinným prostředkem pro jemné mletí pevných látek. Ultrazvuková / akustická kavitace v kapalinách vyvolává vysokorychlostní srážky mezi částicemi. Na rozdíl od konvenčních kuličkových mlýnů a oblázkových mlýnů se částice rozmělňují navzájem, takže mlecí tělesa nejsou potřeba.

Společnosti, jako je Panadur (Německo), používají ultrazvukové přístroje Hielscher k dispergaci a deaglomeraci nanomateriálů v povlacích nanášených ve formě (in-mould coatings). Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukové dispergaci povlaků nanášených ve formě!

Pro sonikaci hořlavých kapalin nebo rozpouštědel v prostředí s nebezpečím výbuchu jsou k dispozici procesory s certifikací ATEX. Zjistěte více o ultrazvukovém přístroji UIP1000-Exd s certifikací Atex!