Ultralyd i belægningsformulering

Forskellige komponenter, såsom pigmenter, fyldstoffer, kemiske tilsætningsstoffer, tværbindinger og reologimodifikatorer indgår i belægnings- og malingsformuleringer. Ultralyd er et effektivt middel til dispersion og emulgering, deagglomerering og fræsning af sådanne komponenter i belægninger.

Ultralyd anvendes til formulering af belægninger til:

• emulgering af polymerer i vandige systemer
• Dispergering og finfræsning af pigmenter
• Størrelsesreduktion af nanomaterialer i højtydende belægninger

Belægninger falder i to brede kategorier: vandbårne og opløsningsmiddelbaserede harpikser og belægninger. Hver type har sine egne udfordringer. Retningslinjer, der opfordrer til VOC-reduktion og høje priser på opløsningsmidler, stimulerer væksten i vandbaserede harpiksbelægningsteknologier. Brug af ultralydbehandling kan forbedre ydeevnen af sådanne miljøvenlige systemer.

Forbedret belægningsformulering på grund af ultralydbehandling

Ultralyd kan hjælpe formulerere af arkitektoniske, industrielle, bil- og træbelægninger med at forbedre belægningsegenskaberne, såsom farvestyrke, ridse, revner og UV-modstand eller elektrisk ledningsevne. Nogle af disse belægningsegenskaber opnås ved at inkludere materialer i nanostørrelse, f.eks. metaloxider (TiO₂, silica, ceria, ZnO, …).

Ultralyd hjælper yderligere med skumdæmpning (indespærrede bobler) og afgasning (opløst gas) af meget viskøse produkter. Læs mere om ultralydsbeluftning og afgasning af væsker!

Da ultralydsdispergeringsteknologi kan bruges på laboratorie-, bord- og industrielt produktionsniveau, hvilket giver mulighed for gennemstrømningshastigheder over 10 tons/time, anvendes den i R&D-scenen og i den kommercielle produktion. Procesresultater kan skaleres op nemt og lineært.

Hielscher ultralydsenheder er meget energieffektive. Enhederne omdanner ca. 80 til 90 % af den elektriske indgangseffekt til mekanisk aktivitet i væsken. Dette fører til væsentligt lavere forarbejdningsomkostninger.

Ved at følge nedenstående links kan du læse mere om brugen af højtydende ultralyd til

• emulgering af polymerer i vandige systemer,
• Dispergering og finfræsning af pigmenter,
• og Størrelsesreduktion af nanomaterialer.

Emulsionspolymerisation ved hjælp af sonikering

Traditionelle belægningsformuleringer bruger grundlæggende polymerkemi. Skiftet til vandbaseret belægningsteknologi har indflydelse på valg af råmaterialer, egenskaber og formuleringsmetoder.

Ved konventionel emulsionspolymerisation, f.eks. til vandbårne belægninger, bygges partiklerne fra midten til deres overflade. Kinetiske faktorer påvirker partikelhomogenitet og morfologi.

Ultralydsbehandling kan bruges på to måder generere polymeremulsioner.

• oppefra og ned: Emulgering/Sprede af større polymerpartikler for at generere mindre partikler ved størrelsesreduktion
• nedefra og op: Brug af ultralyd før eller under partikelpolymerisation

 

 

Nanopartikulerede polymerer i miniemulsioner

Polymerisationen af partikler i miniemulsioner giver mulighed for fremstilling af dispergerede polymerpartikler med god kontrol over partikelstørrelsen. Syntesen af nanopartikelpolymerpartikler i miniemulsioner (også kendt som nanoreaktorer), som præsenteret af K. Landfester (2001), er en fremragende metode til dannelse af polymere nanopartikler. Denne tilgang bruger det store antal små nanorum (dispersionsfase) i en emulsion som nanoreaktorer. I disse syntetiseres partiklerne på en meget parallel måde i de individuelle, indesluttede dråber. I sin artikel præsenterer Landfester (2001) polymerisationen i nanoreaktorer i høj perfektion til generering af meget identiske partikler af næsten ensartet størrelse. Billedet ovenfor viser partikler opnået ved ultralydassisteret polyaddition i miniemulsioner.

Små dråber genereret ved påføring af høj forskydning (ultralydbehandling) og stabiliseret af stabiliseringsmidler (emulgatorer), kan hærdes ved efterfølgende polymerisation eller ved temperaturfald i tilfælde af lavtemperatursmeltende materialer. Da ultralydbehandling kan producere meget små dråber af næsten ensartet størrelse i batch- og produktionsprocessen, giver det mulighed for en god kontrol over den endelige partikelstørrelse. Til polymerisation af nanopartikler kan hydrofile monomerer emulgeres til en organisk fase og hydrofobe monomerer i vand.

Når partikelstørrelsen reduceres, øges det samlede partikeloverfladeareal på samme tid. Billedet til venstre viser sammenhængen mellem partikelstørrelse og overfladeareal i tilfælde af sfæriske partikler. Derfor stiger mængden af overfladeaktivt stof, der er nødvendigt for at stabilisere emulsionen, næsten lineært med det samlede partikeloverfladeareal. Typen og mængden af overfladeaktivt stof påvirker dråbestørrelsen. Dråber på 30 til 200 nm kan opnås ved hjælp af anioniske eller kationiske overfladeaktive stoffer.

Pigmenter i belægninger

Organiske og uorganiske pigmenter er en vigtig komponent i belægningsformuleringer. For at maksimere pigmentets ydeevne er det nødvendigt med god kontrol over partikelstørrelsen. Når der tilsættes pigmentpulver til vandbårne, opløsningsmiddelbårne eller epoxysystemer, har de enkelte pigmentpartikler en tendens til at danne store agglomerater. Mekanismer med høj forskydning, såsom rotor-statorblandere eller omrørerperlemøller, bruges konventionelt til at nedbryde sådanne agglomerater og til at male de enkelte pigmentpartikler ned. Ultralydbehandling er et yderst effektivt alternativ til dette trin i fremstillingen af belægninger.

Graferne nedenfor viser virkningen af sonikering på størrelsen af et perleglanspigment. Ultralyden sliber de enkelte pigmentpartikler ved højhastighedskollision mellem partikler. Den fremtrædende fordel ved ultralydbehandling er den høje påvirkning af kavitationelle forskydningskræfter, hvilket gør brugen af slibemedier (f.eks. Perler, perler) unødvendig. Da partiklerne accelereres af ekstremt hurtige væskestråler på op til 1000 km/t, kolliderer de voldsomt og splintres i små stykker. Partikelslid giver de ultralydsfræsede partikler en glat overflade. Samlet set resulterer ultralydsfræsning og dispersion i en fin størrelse og ensartet partikelfordeling.

 

Ultralydsfræsning og dispergering udmærker sig ofte højhastighedsblandere og mediemøller, da sonikering giver en mere ensartet behandling af alle partikler. Generelt producerer ultralydbehandling mindre partikelstørrelser og en smal partikelstørrelsesfordeling (pigmentfræsekurver). Dette forbedrer den overordnede kvalitet af pigmentdispersionerne, da større partikler typisk forstyrrer behandlingskapaciteten, glansen, modstanden og det optiske udseende.

Da partikelfræsning og slibning er baseret på interpartikelkollision som følge af ultralydskavitation, kan ultralydsreaktorer håndtere temmelig høje faste koncentrationer (f.eks. Master batches) og stadig producere gode størrelsesreduktionseffekter. Nedenstående tabel viser billeder af vådfræsning af TiO2.

Plottet nedenfor viser partikelstørrelsesfordelingskurverne for deagglomerering af Degussa anatase titandioxid ved ultralydbehandling. Den smalle form af kurven efter sonikering er et typisk træk ved ultralydsbehandling.

Nanostørrelsesmaterialer i højtydende belægninger

Nanoteknologi er en ny teknologi, der er på vej ind i mange brancher. Nanomaterialer og nanokompositter anvendes i belægningsformuleringer, f.eks. for at forbedre slid- og ridsebestandighed eller UV-stabilitet. Den største udfordring for anvendelsen i belægninger er bevarelsen af gennemsigtighed, klarhed og glans. Derfor skal nanopartiklerne være meget små for at undgå interferens med lysets synlige spektrum. For mange applikationer er dette væsentligt lavere end 100nm.

Vådslibning af højtydende komponenter til nanometerområdet bliver et afgørende skridt i formuleringen af nanokonstruerede belægninger. Eventuelle partikler, der forstyrrer det synlige lys, forårsager dis og tab af gennemsigtighed. Derfor kræves der meget snævre størrelsesfordelinger. Ultralydbehandling er et meget effektivt middel til finfræsning af faste stoffer. Ultralyd / akustisk kavitation i væsker forårsager kollisioner mellem partikler med høj hastighed. Til forskel fra konventionelle perlemøller og småstensmøller findeler partiklerne selv hinanden, hvilket gør fræsemedier unødvendige.

Virksomheder som Panadur (Tyskland) Brug Hielscher ultralydapparater til dispergering og deagglomerering af nanomaterialer i in-mould belægninger. Klik her for at læse mere om ultralydsdispersion af in-mould belægninger!

Til sonikering af brændbare væsker eller opløsningsmidler i farlige miljøer er ATEX-certificerede processorer tilgængelige. Lær mere om den Atex-certificerede ultralydsapparat UIP1000-Exd!