Vysoce výkonné formulace lepidel – zlepšené ultrazvukovou disperzí

Vysoce výkonná lepidla se skládají z epoxidových, silikonových, polyuretanových, polysulfidových nebo akrylátových systémů obsahujících různá (nano)plniva a aditiva, která lepidlu dodávají speciální vlastnosti, jako je pevnost spoje, nízká hmotnost, trvanlivost, tepelná odolnost a udržitelnost. K formulaci vysoce výkonných lepidel je zapotřebí účinné a spolehlivé míchání. Ultrazvuková disperze a emulgace se používají k rovnoměrnému spojení různých složek do homogenních lepicích směsí. Inline sonikace spolehlivě a účinně mísí i vysoce viskózní materiály a vysoké obsahy nanoplniv, čímž vznikají špičková lepidla.

Vysoké ultrazvukové smykové síly pro disperzi vysoce výkonných lepidel

Vysoce výkonná lepidla nabízejí mimořádnou pevnost spoje, trvanlivost a nízkou hmotnost. V závislosti na konečné aplikaci se polymery, kopolymery a četná aditiva formulují podle propracovaných receptur.

Epoxidové, silikonové, polyuretanové a akrylátové systémy pro lepidla a lepicí hmoty vyrábějí formulátoři, kteří modifikují základ lepidla přidáním látek zvyšujících lepivost (tackifierů), minerálních plniv (mastek, oxid křemičitý, oxid hlinitý atd.), flexibilizátorů, látek snižujících viskozitu, barviv, zahušťovadel, urychlovačů, promotorů adheze atd. Tyto modifikace slouží několika účelům, například ke zlepšení vlastností a/nebo snadnějšímu zpracování nebo ke snížení nákladů. Ultrazvukové dispergátory s vysokým smykem jsou ideální pro inline formulaci různých epoxidových systémů a umožňují flexibilní výrobu lepidel přizpůsobených požadavkům konkrétních aplikací.

Ultrazvukové mixéry s vysokým smykem pro náročné aplikace disperze a emulgace

Vysoce výkonné ultrazvukové procesory fungují jako mixér s vysokým smykem. Extrémně vysoké smykové síly vznikají ultrazvukovou / akustickou kavitací a jsou ideální pro vsádkové i inline aplikace emulgace, dispergace, mletí, deaglomerace a homogenizace. Pomocí ultrazvukových inline dispergátorů lze snadno zpracovat nízké až vysoké koncentrace pevných látek i viskozity.

Míchání nanomateriálů v lepidlech ultrazvukem s vysokým smykem

Nanomateriály, jako jsou uhlíkové nanotrubice (CNT), kovové nanočástice, nanooxid křemičitý, nanojíly, nanovlákna a mnoho dalších částic nanorozměrů, se používají k výrobě nanovyztužených polymerů (nanokompozitů). Nanočástice jsou dobře známé svou schopností měnit mechanické vlastnosti (např. tuhost, pružnost), elektrické vlastnosti (např. vodivost), funkční vlastnosti (např. propustnost, teplotu skelného přechodu, modul) a lomové chování reaktoplastických polymerních lepidel. Nanomateriály nejenže dodávají speciální vysoce výkonné vlastnosti, jako je pevnost spoje, trvanlivost, conduciveness, pružnost nebo tepelná odolnost; přídavek nanostrukturovaných částic může také zlepšit bariérové vlastnosti polymerů.
Vysoké smykové síly ultrazvukem generované akustické kavitace jsou dobře známé svou schopností deaglomerovat a dispergovat nanočástice, a dokonce rozbíjet primární částice (tj. ultrazvukové mletí). Když se tyto ultrazvukové síly uplatní na polymerní systémy obsahující nanočástice a další plniva, získá se velmi rovnoměrná formulace. Ultrazvuková disperze je energeticky účinná metoda vykazující nižší spotřebu energie ve srovnání s konvenčními metodami smykového míchání, jako jsou lopatkové mixéry s vysokým smykem, míchadla s oběžným kolem nebo mlýny.

Video ukazuje ultrazvukové míchání a dispergaci grafitu v 250mL epoxidové pryskyřice (Toolcraft L) pomocí ultrazvukového homogenizátoru (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Společnost Hielscher Ultrasonics vyrábí zařízení pro dispergaci grafitu, grafenu, uhlíkových nanotrubic, nanodrátků nebo plniv v laboratoři i ve velkoobjemových výrobních procesech. Typickým využitím je dispergace nanomateriálů a mikromateriálů během funkcionalizace nebo jejich dispergace do pryskyřic či polymerů.

Kaboori et al. (2013) prokázali, že sonikace je účinnou metodou pro dispergaci vrstevnatých struktur montmorillonitu (MMT) a vývoj lepidel PVA vyztužených MMT. Ukázalo se, že sonikace je spolehlivá a účinná při dispergaci nanojílu v PVA při nízkém (1% a 2%) i vysokém (4%) plnění.
Výzkumný tým zjistil, že „ultrazvuková technika je velmi účinná při dispergaci nanojílu, zejména při vysokém plnění, na rozdíl od vysokorychlostního smykového mixéru. Vysokorychlostní míchání dokázalo dispergovat nanojíl v PVA pouze při nízkém plnění a zvýšilo pevnost spoje PVA za různých podmínek. Vysokorychlostní míchání má některé nevýhody: možné poškození emulze PVA (kvůli silné smykové síle používané při míchání), vysoké náklady a vysokou spotřebu energie. Naproti tomu technika sonikace má minimální negativní dopad na emulzi PVA. Technika sonikace je navíc ekonomická, protože ultrazvukové míchání může probíhat před výrobou PVA a roztok obsahující nanojíl lze do PVA přidat během výrobního procesu. Vzhledem k výsledkům získaným v tomto článku a v naší předchozí práci a s ohledem na výhody techniky sonikace oproti vysokorychlostnímu míchání se přidávání nanojílu do PVA v průmyslovém měřítku jeví jako proveditelné a lze jej doporučit výrobcům lepidel na dřevo.“ (Kaboori et al., 2013)

Účinky ultrazvukového odplynění při výrobě lepidel

Další výhodou sonikace, která výrazně zlepšuje výsledky formulace, je odplyňovací účinek ultrazvukového ošetření. Vysokorychlostní mechanické míchání (např. lopatkovými mixéry s vysokým smykem) vytváří ve směsi velké množství plynových bublin, což lze v některých případech dokonce zaznamenat podle zesvětlené barvy směsi. Ultrazvukové míchání s vysokým smykem má obrovskou výhodu v tom, že technika sonikace nevnáší do formulace lepidla plyny; ultrazvukové vlny naopak nutí již přítomné plynové bubliny ke koalescenci a k vyplavání na hladinu kapaliny, odkud lze plyn snadno odstranit. Sonikace tak podporuje odplynění a odvzdušnění kapalin a formulací lepidel. (srov. Shadlou et al., 2014)

Vysoce výkonné ultrazvukové dispergátory pro průmyslové formulace lepidel

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové dispergátory pro náročné aplikace, jako je výroba vysoce výkonných lepidel, vysoce plněných pryskyřic a nanokompozitů. Ultrazvukové přístroje Hielscher se po celém světě používají k dispergaci nanomateriálů do polymerů, pryskyřic, nátěrových hmot a dalších vysoce výkonných materiálů.
Ultrazvukové dispergátory Hielscher lze plnit prostřednictvím různých přívodních proudů, které za řízených podmínek proudění přivádějí různé materiály do kavitační zóny míchání. Ultrazvukové dispergátory jsou spolehlivé a účinné při zpracování nízkých až vysokých viskozit. V závislosti na surovinách a cílovém zmenšení velikosti lze intenzitu ultrazvuku přesně nastavit.
Aby bylo možné zpracovávat viskózní polymerní pasty, nanomateriály a vysoké koncentrace pevných látek, musí být ultrazvukový dispergátor schopen nepřetržitě vytvářet vysoké amplitudy. Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy v nepřetržitém provozu při plném zatížení. Amplitudy až 200µm lze snadno provozovat v režimu 24/7. Možnost provozovat ultrazvukový dispergátor při vysokých amplitudách a přesně nastavovat amplitudu je nezbytná pro přizpůsobení podmínek ultrazvukového procesu formulaci vysoce výkonných lepidel, nanovyztužených polymerních směsí a nanokompozitů.
Kromě ultrazvukové amplitudy je dalším velmi důležitým procesním parametrem tlak. Při zvýšeném tlaku se intenzita ultrazvukové kavitace a jejích smykových sil zesiluje. Ultrazvukové reaktory Hielscher lze natlakovat, a dosáhnout tak intenzivnějších výsledků sonikace.
Monitorování procesu a záznam dat jsou důležité pro průběžnou standardizaci procesu a kvalitu produktu. Zásuvná čidla tlaku a teploty se připojují k ultrazvukovému generátoru pro monitorování a řízení procesu ultrazvukové disperze. Všechny důležité procesní parametry, jako je ultrazvuková energie (čistá + celková), teplota, tlak a čas, se automaticky zaznamenávají a ukládají na vestavěnou SD kartu. Díky přístupu k automaticky zaznamenaným procesním datům můžete revidovat předchozí sonikační běhy a vyhodnotit výsledky procesu.
Další uživatelsky přívětivou funkcí je vzdálené ovládání našich digitálních ultrazvukových systémů přes prohlížeč. Prostřednictvím vzdáleného ovládání v prohlížeči můžete svůj ultrazvukový procesor odkudkoli na dálku spustit, zastavit, nastavit a monitorovat.
Kontaktujte nás nyní a dozvíte se více o našich vysoce výkonných ultrazvukových dispergátorech a jejich využití při výrobě vysoce výkonných lepidel a nátěrových hmot!
Níže uvedená tabulka uvádí orientační přibližnou zpracovatelskou kapacitu našich ultrazvukových přístrojů:

---

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.