Ultrazvuk pro dispergaci a mletí: barvy a pigmenty

Výkonový ultrazvuk je dobře známý svými intenzivními a přesně řiditelnými mlecími a dispergačními účinky. Díky tomu jsou ultrazvukové homogenizátory ideální pro výrobu pigmentových past a nátěrových formulací. Průmyslové ultrazvukové přístroje zajišťují vysoce rovnoměrnou distribuci velikosti částic v mikronovém a nanometrovém rozsahu. Zpracovávejte velkoobjemové proudy s vysokou viskozitou pomocí sonikátorů Hielscher a dosáhněte homogenního smáčení, dispergace, deaglomerace a mletí!

Výroba barev pomocí ultrazvuku

Zlepšete své nátěrové hmoty, barvy a povlaky pomocí sonikace:

• Formulace: Ať už jde o vysoké viskozity, vysoký obsah částic, formulace na vodní či rozpouštědlové bázi – s průmyslovými průtokovými ultrazvukovými přístroji Hielscher můžete zpracovat jakoukoli formulaci.
• Mikronová a nanometrová velikost: Vysoké smykové síly generované akustickou kavitací zmenšují částice na nepatrné průměry a zajišťují rovnoměrnou disperzi. Přizpůsobení parametrů sonikace požadavkům vašich částic a formulace umožňuje spolehlivou výrobu pigmentů nanometrové velikosti.
• Optické vlastnosti: Pro dosažení správných optických vlastností je nutné řídit velikost částic pigmentu. Opacita obvykle koreluje s velikostí částic: čím jemnější částice, tím vyšší opacita. Například TiO2 se cíleně zpracovává na velikost částic 0,20 až 0,3 mikronu, což přibližně odpovídá polovině vlnové délky světla. Sonikace zmenšuje pigmenty TiO2 na jejich optimální velikost, takže se dosáhne maximální krycí schopnosti.
• Vysoce výkonné částice: Menší velikost částic vede k vyšší sytosti barvy, barevné konzistenci a stabilitě. Intenzivní, a přitom přesně řiditelné ultrazvukové síly umožňují vyrábět modifikované a funkcionalizované nanočástice, jako jsou potažené částice, SWNTs, MWCNTs a částice typu jádro-obal. Takové částice vykazují jedinečné vlastnosti a posouvají nátěrové formulace či formulace povlaků na novou úroveň kvality a funkčnosti (např. odolnost vůči UV záření, odolnost proti poškrábání, pevnost, přilnavost, vysoká tepelná odolnost, odrazivost infračerveného a slunečního záření).
• Modifikované částice: Povrchově modifikované pigmenty mají velmi nízkou viskozitu při vysokém obsahu pigmentu (2,5cP při 10% podílu pevných látek), vynikající stabilitu suspenze a vysokou čistotu. Ultrazvukem podporovaná funkcionalizace částic umožňuje snadno syntetizovat vysoce výkonné pigmenty se zvláštními vlastnostmi.

Pigmentové pasty mleté a dispergované pomocí ultrazvukové kavitace a vysokých smykových sil vykazují výrazné zmenšení velikosti a rovnoměrnou distribuci. Graf výše ukazuje rostoucí zmenšení velikosti se zvyšující se ultrazvukovou energií.

Pro výrobu barvy je nutné smíchat složky, jako jsou pigmenty, pojiva/ filmotvorné látky, ředidla/ rozpouštědla, pryskyřice, plniva a aditiva, do homogenní formulace. Pigmenty jsou určující složkou, která dává barvě její barevný odstín. Nejdůležitějším bílým pigmentem je TiO2, který je nutné umlít na optimální velikost částic o průměru mezi 0,2 a 0,3 mikronu, aby vykazoval požadovaný stupeň bělosti, jasu, opacity a velmi vysoký index lomu. Ultrazvukové smykové síly zajišťují velmi účinnou a energeticky efektivní deaglomeraci a dispergaci částic TiO2 (viz obrázek níže).

TEM snímek ultrazvukově dispergované suspenze nanočástic TiO2 s různými koncentracemi pevných látek. Sonikace byla provedena pomocí ultrazvukového přístroje UIP1000hdT
Vlevo: vstup ultrazvukové energie 1,8 × 10⁵ J/L – vpravo: vstup ultrazvukové energie 5,4 × 10⁵ J/L
(Studie a snímky: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ultrazvukové mletí a dispergace zvyšují kvalitu barvy zlepšením její barevné síly, hustoty, jemnosti mletí, disperze a reologie.

Podmínky ultrazvukové dispergace a mletí

Kvalita barev a nátěrů závisí na homogenní dispergaci pigmentů. Hielscher Ultrasonics dodává účinná zařízení pro mletí a rozmělňování k dispergaci barev, zejména pro formulace s vysokým obsahem pigmentu. Mechanismus ultrazvukových dispergátorů pro aplikace mletí, rozmělňování, deaglomerace a dispergace je založen především na principu smyku generovaného ultrazvukovou kavitací. Kavitační smykové síly nezbytné k oddělení částic vznikají v důsledku velkých tlakových rozdílů, lokálních horkých míst a kapalinových proudů, což vede k rozbití částic vzájemnými srážkami částic.
Průmyslové ultrazvukové dispergátory, jako je UIP16000hdT s výkonem 16 000 wattů na jednu sonotrodu, mají kapacitu zpracovávat velkoobjemové proudy barev a nátěrů.

Sonikovaná křídová barva na grindometru prokazuje dokonale rovnoměrnou deaglomeraci a distribuci velikosti částic pigmentů

Dispergace nanočástic

Ultrazvukové mletí a dispergace jsou často jedinou metodou, jak efektivně zpracovat nanočástice za účelem získání jednotlivě dispergovaných primárních částic. Malá velikost primárních částic vede k velkému povrchu a koreluje s projevem jedinečných vlastností a funkcí částic. Zároveň je menší velikost částic spojena s vysokou povrchovou energií vedoucí k silnější agregaci a reaktivitě, takže k homogennímu rozptýlení nanočástic ve formulaci jsou zapotřebí intenzivní ultrazvukové dispergační síly.
Kromě toho může ultrazvuková povrchová úprava nanočástice modifikovat, což vede ke zlepšené dispergovatelnosti, stabilitě disperze, hydrofobicitě a dalším vlastnostem.
Výzkumníci doporučili ultrazvukovou metodu dispergace nanočástic jako preferované řešení, „protože materiál dispergovaný ultrazvukovou metodou je mnohem čistší než materiál vyrobený mletím v kuličkovém mlýně.“ [Kim et al. 2010].

Technika ultrazvukové dispergace má mnoho výhod ve srovnání s tradičními technologiemi mletí, jako jsou tříválcové mlýny, kulové mlýny nebo mlýny s mlecím médiem.

Přečtěte si více o ultrazvukové homogenizaci a dispergaci pigmentů a barviv pro masterbatche a nátěrové formulace!

Literatura / Reference

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.