Ultralyd i Coating Formulering

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

Ultralyd anvendes til formulering af belægninger til:

• emulgering af polymerer i vandige systemer
• dispergering og fin formaling 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. Anvisninger, der kræver VOC-reduktion og høje opløsningsmiddelpriser, stimulerer væksten i vandbårne harpiksbelægningsteknologier. Brugen af ultralydbehandling kan forbedre ydeevnen for sådanne miljøvenlige systemer.

Forbedret belægningsformulering på grund af ultralydbehandling

Ultralyd kan hjælpe formulatorer af arkitektoniske, industrielle, bil- og træbelægninger med at forbedre belægningsegenskaberne, såsom farvestyrke, ridser, 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 skumdæmning (indesluttede bobler) og afgasning (opløst gas) af stærkt viskøse produkter. Læs mere om ultralydsafluftning og afgasning af væsker!

Da ultralydsdispergeringsteknologi kan bruges på laboratorie-, bænk-top- 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 behandlingsomkostninger.

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

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

Emulsionspolymerisation ved hjælp af sonikering

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

Ved konventionel emulsionspolymerisation, fx til vandbårne belægninger, er partiklerne bygget fra midten til deres overflade. Kinetiske faktorer påvirker partikel homogenitet og morfologi.

Ultralydbehandling kan anvendes på to måder til dannelse af polymeremulsioner.

• Oppefra og ned: emulgerende/sprede af større polymerpartikler til dannelse af mindre partikler ved størrelsesreduktion
• Bunden i vejret: Brug af ultralyd før eller under partikelpolymerisation

 

 

Nanopartikulære polymerer i miniemulsioner

Polymerisationen af partikler i miniemulsioner muliggør fremstilling af dispergerede polymerpartikler med god kontrol over partikelstørrelse. Syntesen af nanopartikler polymerpartikler i miniemulsioner (også kendt som nanoreaktorer), som præsenteret af K. Landfester (2001), er en glimrende metode til dannelse af polymere nanopartikler. Denne tilgang bruger det store antal små nanoanlæg (dispergeringsfase) i en emulsion som nanoreaktorer. I disse syntetiseres partiklerne på en meget parallel måde i de individuelle, begrænsede dråber. I sit papir 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 anvendelse af høj forskydning (ultralydbehandling) og stabiliseret af stabiliserende midler (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.

Ved reduktion af partikelstørrelsen øges det samlede partikeloverfladeareal på samme tid. Billedet til venstre viser sammenhængen mellem partikelstørrelse og overfladeareal i tilfælde af sfæriske partikler. Derfor øges 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 200nm kan opnås ved anvendelse af anioniske eller kationiske overfladeaktive stoffer.

Pigmenter i belægninger

Organiske og uorganiske pigmenter er en vigtig bestanddel af belægningsformuleringer. For at maksimere pigmentets ydeevne er der behov for god kontrol over partikelstørrelsen. Ved tilsætning af pigmentpulver til vandbårne, opløsningsmiddelbårne eller epoxysystemer har de enkelte pigmentpartikler tendens til at danne store agglomerater. Højforskydningsmekanismer, såsom rotor-statorblandere eller omrørerperlemøller, bruges traditionelt til at bryde sådanne agglomerater og til at slibe de enkelte pigmentpartikler ned. Ultralydbehandling i et ekstremt effektivt alternativ til dette trin i fremstillingen af belægninger.

Graferne nedenfor viser virkningen af sonikering på størrelsen af et perleglanspigment. Ultralydet sliber de enkelte pigmentpartikler ved højhastigheds interpartikelkollision. Den fremtrædende fordel ved ultralydbehandling er den høje virkning 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. Partikel slid giver ultralydsmalede partikler en glat overflade. Samlet set resulterer ultralydsfræsning og dispersion i en fin størrelse og ensartet partikelfordeling.

 

Ultralyd fræsning og dispergering udmærker sig ofte højhastighedsblandere og mediemøller, da sonikering giver en mere konsekvent behandling af alle partikler. Generelt producerer ultralydbehandling mindre partikelstørrelser og en smal partikelstørrelsesfordeling (pigmentfræsningskurver). Dette forbedrer den overordnede kvalitet af pigmentdispersionerne, da større partikler typisk forstyrrer behandlingsevnen, glans, modstand og optisk udseende.

Da partikelfræsning og slibning er baseret på interpartikelkollision som følge af ultralydkavitation, kan ultralydsreaktorer håndtere temmelig høje faste koncentrationer (f.eks. Masterbatcher) og stadig producere gode størrelsesreduktionseffekter. Tabellen nedenfor viser billeder af vådfræsningen af TiO2.

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

Nanosize Materialer i High Performance Coatings

Nanoteknologi er en ny teknologi, der gør sin vej ind i mange industrier. Nanomaterialer og nanokompositter anvendes i overfladebehandlingsformuleringer, f.eks. Den største udfordring for anvendelsen i belægninger er fastholdelse af gennemsigtighed, klarhed og glans. Derfor har nanopartiklerne været meget små for at undgå interferens med lysets synlige spektrum. For mange applikationer, dette er væsentligt lavere end 100nm.

Vådslibning af højtydende komponenter til nanometerområdet bliver et afgørende skridt i formuleringen af nanomaniseriede belægninger. Eventuelle partikler, der forstyrrer det synlige lys, forårsager dis og tab af gennemsigtighed. Derfor kræves meget smalle størrelsesfordelinger. Ultralydbehandling er et meget effektivt middel til fin fræsning af faste stoffer. Ultralyd / akustisk kavitation i væsker forårsager højhastigheds interpartikelkollisioner. Forskellig fra konventionelle perlemøller og småstensmøller formindsker partiklerne selv hinanden, hvilket gør fræsemedier unødvendige.

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

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