Ultralyd i formulering af belægninger

Forskellige komponenter såsom pigmenter, fyldstoffer, kemiske additiver, tværbindere og reologimodifikatorer indgår i belægnings- og malingsformuleringer. Ultralyd er et effektivt middel til dispergering og emulgering, deagglomerering og formaling af sådanne komponenter i belægninger.

Ultralyd anvendes ved formulering af belægninger til:

• emulgering af polymerer i vandige systemer
• dispergering og finformaling af pigmenter
• størrelsesreduktion af nanomaterialer i højtydende belægninger

Belægninger falder i to overordnede kategorier: vandbaserede og opløsningsmiddelbaserede harpikser og belægninger. Hver type har sine egne udfordringer. Retningslinjer, der kræver reduktion af VOC, og høje priser på opløsningsmidler stimulerer væksten inden for teknologier til vandbaserede harpiksbelægninger. Anvendelse af sonikering kan forbedre ydeevnen af sådanne miljøvenlige systemer.

Forbedret formulering af belægninger ved hjælp af sonikering

Ultralyd kan hjælpe dem, der formulerer bygnings-, industri-, bil- og træbelægninger, med at forbedre belægningernes egenskaber såsom farvestyrke, modstandsdygtighed over for ridser, revner og UV-stråling eller elektrisk ledningsevne. Nogle af disse belægningsegenskaber opnås ved tilsætning af materialer i nanostørrelse, f.eks. metaloxider (TiO₂, siliciumdioxid, ceriumdioxid, ZnO, …).

Ultralyd hjælper desuden med afskumning (indesluttede bobler) og afgasning (opløst gas) af højviskøse produkter. Læs mere om fjernelse af luft og afgasning af væsker med ultralyd!

Da ultralydsdispergeringsteknologi kan anvendes i laboratorier, i bordapparater og i industriel produktion og muliggør gennemstrømningskapaciteter på over 10 ton/time, anvendes den i forsknings- og udviklingsfasen og i kommerciel produktion. Procesresultater kan let og lineært skaleres op.

Hielscher ultralydsapparater er meget energieffektive. Apparaterne omdanner ca. 80 til 90% af den tilførte elektriske effekt til mekanisk aktivitet i væsken. Dette medfører væsentligt lavere procesomkostninger.

Via nedenstående links kan du læse mere om anvendelsen af højtydende ultralyd til

• emulgering af polymerer i vandige systemer,
• dispergering og finformaling af pigmenter,
• og størrelsesreduktion af nanomaterialer.

Emulsionspolymerisation ved hjælp af sonikering

Traditionelle belægningsformuleringer anvender grundlæggende polymerkemi. Overgangen til vandbaseret belægningsteknologi påvirker valget af råmaterialer, egenskaberne og formuleringsmetoderne.

Ved konventionel emulsionspolymerisation, f.eks. til vandbaserede belægninger, opbygges partiklerne fra centrum til deres overflade. Kinetiske faktorer påvirker partiklernes homogenitet og morfologi.

Ultralydsbehandling kan anvendes på to måder til at fremstille polymeremulsioner.

• Top-down: Emulgering/dispergering af større polymerpartikler for at fremstille mindre partikler ved størrelsesreduktion
• Bottom-up: Anvendelse af ultralyd før eller under partikelpolymerisation

 

I denne video viser vi et ultralydssystem på 2 kilowatt til inline-drift i et kabinet med mulighed for gennemskylning. Hielscher leverer ultralydsudstyr til næsten alle brancher, såsom den kemiske industri, medicinalindustrien og kosmetikindustrien samt til petrokemiske processer og ekstraktionsprocesser baseret på opløsningsmidler. Dette kabinet i rustfrit stål med mulighed for gennemskylning er konstrueret til drift i eksplosionsfarlige områder. Til dette formål kan kunden gennemskylle det tætte kabinet med kvælstof eller frisk luft for at forhindre brændbare gasser eller dampe i at trænge ind i kabinettet.

 

Nanopartikulære polymerer i miniemulsioner

Polymerisation af partikler i miniemulsioner muliggør fremstilling af dispergerede polymerpartikler med god kontrol over partikelstørrelsen. Syntese af nanopartikulære polymerpartikler i miniemulsioner (også kendt som nanoreaktorer), som præsenteret af K. Landfester (2001), er en fremragende metode til dannelse af polymere nanopartikler. Denne tilgang anvender det store antal små nanokompartmenter (dispergeret fase) i en emulsion som nanoreaktorer. I disse syntetiseres partiklerne i høj grad parallelt i de enkelte, afgrænsede dråber. I sin artikel præsenterer Landfester (2001) polymerisation i nanoreaktorer med en høj grad af perfektion til fremstilling af meget ensartede partikler af næsten ens størrelse. Billedet ovenfor viser partikler fremstillet ved ultralydsassisteret polyaddition i miniemulsioner.

Små dråber, der dannes ved anvendelse af høj forskydning (sonikering) og stabiliseres af stabiliseringsmidler (emulgatorer), kan hærdes ved efterfølgende polymerisation eller ved sænkning af temperaturen, når der er tale om materialer med lav smeltetemperatur. Da sonikering kan fremstille meget små dråber af næsten ens størrelse i batch- og produktionsprocesser, giver den god kontrol over den endelige partikelstørrelse. Til polymerisation af nanopartikler kan hydrofile monomerer emulgeres i en organisk fase og hydrofobe monomerer i vand.

Når partikelstørrelsen reduceres, øges partiklernes samlede overfladeareal samtidig. Billedet til venstre viser sammenhængen mellem partikelstørrelse og overfladeareal for kugleformede partikler. Derfor øges den mængde overfladeaktivt stof, der er nødvendig for at stabilisere emulsionen, næsten lineært med partiklernes samlede overfladeareal. Typen og mængden af overfladeaktivt stof påvirker dråbestørrelsen. Dråber på 30 til 200nm kan opnås ved anvendelse af anioniske eller kationiske overfladeaktive stoffer.

Pigmenter i belægninger

Organiske og uorganiske pigmenter er en vigtig komponent i belægningsformuleringer. For at maksimere pigmenternes ydeevne kræves god kontrol over partikelstørrelsen. Når pigmentpulver tilsættes vandbaserede, opløsningsmiddelbaserede eller epoxysystemer, har de enkelte pigmentpartikler tendens til at danne store agglomerater. Mekanismer med høj forskydning, såsom rotor-stator-blandere eller omrørte perlemøller, anvendes traditionelt til at bryde sådanne agglomerater op og formale de enkelte pigmentpartikler. Sonikering er et yderst effektivt alternativ til dette trin i fremstillingen af belægninger.

Graferne nedenfor viser sonikeringens indvirkning på størrelsen af et perlemorspigment. Ultralyd formaler de enkelte pigmentpartikler ved kollisioner mellem partiklerne med høj hastighed. Den fremtrædende fordel ved sonikering er den kraftige virkning af forskydningskræfter fra kavitation, som gør anvendelse af formalingsmedier (f.eks. kugler, perler) unødvendig. Da partiklerne accelereres af ekstremt hurtige væskestråler med hastigheder på op til 1000km/hr, kolliderer de voldsomt og splintres i små stykker. Partikelabrasion giver de ultralydsformalede partikler en glat overflade. Samlet set resulterer ultralydsformaling og -dispergering i en fordeling af fine, ensartede partikler.

 

Ultralydsformaling og -dispergering overgår ofte højhastighedsblandere og møller med formalingsmedier, da sonikering giver en mere ensartet behandling af alle partikler. Generelt giver sonikering mindre partikelstørrelser og en snæver partikelstørrelsesfordeling (pigmentformalingskurver). Dette forbedrer pigmentdispersionernes samlede kvalitet, da større partikler typisk forringer bearbejdeligheden, glansen, modstandsdygtigheden og det optiske udseende.

Da partiklernes formaling og findeling er baseret på kollisioner mellem partikler som følge af ultralydskavitation, kan ultralydsreaktorer håndtere forholdsvis høje koncentrationer af faste stoffer (f.eks. masterbatcher) og stadig opnå en god størrelsesreduktion. Tabellen nedenfor viser billeder af vådformaling af TiO2.

Grafen nedenfor viser partikelstørrelsesfordelingskurverne for deagglomerering af Degussa-anatas-titandioxid ved sonikering. Kurvens snævre form efter sonikering er et typisk kendetegn ved ultralydsbehandling.

Materialer i nanostørrelse i højtydende belægninger

Nanoteknologi er en teknologi i udvikling, som vinder indpas i mange industrier. Nanomaterialer og nanokompositter anvendes i belægningsformuleringer, f.eks. til at forbedre modstandsdygtigheden over for slid og ridser eller UV-stabiliteten. Den største udfordring ved anvendelse i belægninger er at bevare gennemsigtighed, klarhed og glans. Derfor skal nanopartiklerne være meget små for at undgå interferens med lysets synlige spektrum. Til mange anvendelser skal størrelsen være væsentligt mindre end 100nm.

Vådformaling af højtydende komponenter til nanometerområdet bliver et afgørende trin i formuleringen af nanoteknologisk udviklede belægninger. Alle partikler, der interfererer med det synlige lys, medfører uklarhed og tab af gennemsigtighed. Derfor kræves meget snævre størrelsesfordelinger. Sonikering er et meget effektivt middel til finformaling af faste stoffer. Ultralydskavitation / akustisk kavitation i væsker medfører kollisioner mellem partikler med høj hastighed. Til forskel fra konventionelle perlemøller og stenmøller findeler partiklerne selv hinanden, hvilket gør formalingsmedier unødvendige.

Virksomheder som Panadur (Tyskland) anvender Hielscher ultralydsapparater til dispergering og deagglomerering af nanomaterialer i belægninger, der påføres i formen. Klik her for at læse mere om ultralydsdispergering af belægninger, der påføres i formen!

Til sonikering af brandfarlige væsker eller opløsningsmidler i eksplosionsfarlige miljøer fås ATEX-certificerede processorer. Læs mere om det Atex-certificerede ultralydsapparat UIP1000-Exd!