Jak míchat laky s nanoplnivy

Výroba laků vyžaduje výkonné míchací zařízení, které si poradí s nanočásticemi a pigmenty, jež musí být rovnoměrně dispergovány do receptury. Ultrazvukové homogenizátory jsou vysoce účinnou a spolehlivou dispergační technikou, která zajišťuje homogenní distribuci nanočástic v polymerech.

Výroba laků pomocí vysoce výkonných ultrazvukových mixérů

Lak je popisován jako čirý průhledný tvrdý ochranný povlak nebo film, který se formuluje z pryskyřic (např. akrylátových, polyuretanových, alkydových, šelaku), vysychavého oleje, kovového sikativu a těkavých rozpouštědel (např. primárního benzínu (nafty), lakového benzínu nebo ředidla). Když lak schne, rozpouštědlo v něm obsažené se odpaří a zbývající složky oxidují nebo polymerují za vzniku trvanlivého průhledného filmu. Laky se nejčastěji používají jako ochranné povlaky dřevěných povrchů, obrazů a různých dekorativních předmětů, zatímco UV vytvrzované laky se používají v automobilových nátěrech, kosmetice, potravinářství, vědě a dalších odvětvích.

Ultrazvuková disperze nano-oxidu křemičitého v laku

Běžným příkladem ultrazvukového dispergování je zapracování koloidních oxidů křemičitých, které se obvykle přidávají, aby lakům dodaly tixotropní vlastnosti.
Například polyetherimidový lak plněný nano-oxidem křemičitým vykazuje prodlouženou životnost až třicetkrát vyšší než standardní lak. Nano-oxid křemičitý zlepšuje vlastnosti laku, jako je jeho elektrická vodivost, jeho dielektrická pevnost při DC a AC a jeho pevnost spoje. Ultrazvukové dispergátory se proto široce používají při výrobě elektricky vodivých povlaků.
Další silikátové minerály, wollastonit, mastek, slída, kaolin, živec a nefelinický syenit, jsou levná plniva a široce se používají jako tzv. plnivové pigmenty (extendery), které se přidávají k úpravě reologie (viskozity), sedimentační stability a pevnosti filmu v nátěrech.

Výzkumem prokázaná převaha ultrazvukových přístrojů při dispergaci nanoplniv

Monteiro et al. (2014) porovnali běžné dispergační technologie – konkrétně rotor-statorový mixér, Cowlesovo míchadlo a ultrazvukový dispergátor sondového typu – z hlediska jejich účinnosti při dispergaci oxidu titaničitého (TiO2, anatas). Sonikace se ukázala jako nejúčinnější pro dispergaci nanočástic ve vodě s použitím konvenčního polyelektrolytu Na-PAA a výrazně překonala míchání rotor-statorem nebo Cowlesovým míchadlem.
Podrobnosti studie: Byly porovnány různé dispergační techniky s cílem určit tu nejúčinnější pro vytvoření dobře deaglomerované vodné suspenze nano-TiO2. Jako referenční dispergační činidlo byla použita sodná sůl kyseliny polyakrylové (Na-PAA), která se v průmyslu běžně používá pro vodné disperze TiO2. Obr. 1 ukazuje získané objemové distribuce velikosti částic (PSD) při použití Cowlesova dispergátoru (30 min při 2000 rpm), rotor-statorového mixéru (30 min při 14 000 rpm) a sonikace sondového typu (Hielscher UIP1000hdT, 2 min při 50% amplitudě). „Při použití Cowlesova dispergátoru byly velikosti částic ve třech různých rozmezích: 40–100 nm, 350–1000 nm a 1200–4000 nm. Větší aglomeráty v distribuci jasně dominují, což ukazuje, že tato technika je neúčinná. Rotor-stator rovněž poskytl neuspokojivé výsledky, nezávisle na tom, zda byly nanočástice přidány najednou, nebo postupně v průběhu míchání. Hlavní rozdíl pozorovaný u Cowlesova výsledku souvisí s posunem prostředního píku k vyšší velikosti částic, který se částečně slévá s píkem nejvíce vpravo. Naproti tomu použití ultrazvuku přineslo mnohem lepší výsledek s úzkým píkem se středem při 0,1 nm a dvěma mnohem menšími píky v rozmezích 150–280 nm a 380–800 nm.“

Distribuce velikosti částic vodných disperzí nano-TiO2 (10mgmL−1, pH = 9) připravených různými dispergačními technikami. Sonikace poskytuje nejmenší nanočástice TiO2 a nejužší křivky zmenšení velikosti částic. Pokud bylo použito dispergační činidlo (Na-PAA), jeho poměr k nano-TiO2 byl 1:1.
(studie a grafika: © Monteiro et al., 2014)

Sprejově sušený TiO2 před ultrazvukovým mletím a po něm

Tento výsledek je v souladu s prací Sato et al. (2008), která uvádí lepší výsledky sonikace než jiných technik při dispergaci nanočástic TiO2 ve vodě. Rázové vlny vytvářené akustickou / ultrazvukovou kavitací vedou k vysoce intenzivním srážkám mezi částicemi a k účinnému mletí a deaglomeraci částic na jednotné fragmenty v nanoměřítku.
(srov. Monteiro et al., 2014)

Vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro výrobu laků

Při použití nanočástic a nanoplniv v průmyslových výrobních procesech, jako je výroba laků a nátěrových hmot, musí být suchý prášek homogenně vmíchán do kapalné fáze. Dispergace nanočástic vyžaduje spolehlivou a účinnou míchací techniku, která dodá dostatek energie k rozbití aglomerátů, aby se uvolnily vlastnosti částic v nanoměřítku. Ultrazvukové přístroje jsou dobře známé jako výkonné a spolehlivé dispergátory, a proto se používají k deaglomeraci a homogenní distribuci různých materiálů, jako je oxid křemičitý, nanotrubice, grafen, minerály a mnoho dalších materiálů, do kapalné fáze, jako jsou pryskyřice, epoxidy a pigmentové koncentráty (master batche). Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové dispergátory pro jakékoli homogenizační a deaglomerační aplikace.
Pokud jde o výrobu nanodisperzí, přesné řízení sonikace a spolehlivé ultrazvukové zpracování suspenze nanočástic jsou nezbytné pro získání vysoce výkonných produktů. Procesory Hielscher Ultrasonics vám poskytují plnou kontrolu nad všemi důležitými procesními parametry, jako je vstupní energie, intenzita ultrazvuku, amplituda, tlak, teplota a doba zdržení. Díky tomu můžete parametry nastavit na optimalizované podmínky, což následně vede k vysoce kvalitním nanodisperzím, jako jsou suspenze nano-oxidu křemičitého nebo nano-TiO2.

Pro jakýkoli objem / kapacitu: Hielscher nabízí ultrazvukové přístroje a široké portfolio příslušenství. To umožňuje konfiguraci ideálního ultrazvukového systému pro vaši aplikaci a výrobní kapacitu. Od malých lahviček obsahujících několik mililitrů až po velkoobjemové proudy tisíců galonů za hodinu nabízí Hielscher vhodné ultrazvukové řešení pro váš proces.
Vysoké viskozity: Ultrazvukové inline systémy snadno zpracovávají pastovité formulace, např. pigmentové koncentráty (master batche), v nichž je pigment při vysokém plnění částicemi rovnoměrně vmíchán do směsi změkčovadla, monomeru a polymeru.
Robustnost: Naše ultrazvukové systémy jsou robustní a spolehlivé. Všechny ultrazvukové přístroje Hielscher jsou konstruovány pro provoz 24/7/365 a vyžadují jen velmi malou údržbu.
Uživatelská přívětivost: Propracovaný software našich ultrazvukových zařízení umožňuje předvolbu a ukládání nastavení sonikace pro jednoduchou a spolehlivou sonikaci. Intuitivní menu je snadno přístupné přes digitální barevný dotykový displej. Dálkové ovládání přes prohlížeč vám umožňuje obsluhu a monitorování prostřednictvím libovolného internetového prohlížeče. Automatický záznam dat ukládá procesní parametry každého běhu sonikace na vestavěnou SD kartu.
Vynikající energetická účinnost: Ve srovnání s alternativními dispergačními technologiemi vynikají ultrazvukové přístroje Hielscher mimořádnou energetickou účinností a lepšími výsledky v distribuci velikosti částic.
Vysoká kvalita a robustnost: Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou uznávané pro svou kvalitu, spolehlivost a robustnost. Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě vyhovují požadavkům CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje orientační představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů: