Sådan blandes lakker med nanofyldstoffer

Produktion af lak kræver kraftigt blandeudstyr, der kan håndtere nanopartikler og pigmenter, som skal dispergeres ensartet i formuleringen. Ultralydshomogenisatorer er en yderst effektiv og pålidelig dispergeringsteknik, der giver en homogen fordeling af nanopartiklerne i polymerer.

Produktion af lak med højtydende ultralydsblandere

En lak beskrives som en klar, transparent, hård beskyttende belægning eller film, der formuleres af harpikser (f.eks. akryl, polyurethan, alkyd, shellak), tørrende olie, et metalbaseret tørremiddel og flygtige opløsningsmidler (f.eks. nafta, mineralsk terpentin eller fortynder). Når lak tørrer, fordamper opløsningsmidlet i den, og de resterende bestanddele oxiderer eller polymeriserer og danner en holdbar, transparent film. Lakker bruges primært som beskyttende belægninger på træoverflader, malerier og forskellige dekorative genstande, mens UV-hærdende lakker bruges i bilbelægninger, kosmetik, fødevarer, videnskab og andre brancher.

Ultralydsdispergering af nanosilica i lak

Et almindeligt eksempel på ultralydsdispergering er indarbejdning af kolloidale silicaer, der normalt tilsættes for at give lakker tiksotrope egenskaber.
For eksempel har polyetherimidlak med nanosilica som fyldstof en forlænget levetid, der er op til tredive gange længere end levetiden for en standardlak. Nanosilica forbedrer lakkens egenskaber såsom dens elektriske ledningsevne, dens dielektriske styrke ved jævnstrøm og vekselstrøm samt dens vedhæftningsstyrke. Ultralydsdispergatorer bruges derfor i vid udstrækning til fremstilling af elektrisk ledende belægninger.
Andre silikatmineraler, wollastonit, talkum, glimmer, kaolin, feldspat og nefelinsyenit, er billige fyldstoffer og bruges i vid udstrækning som såkaldte fyldstofpigmenter, der tilsættes for at ændre belægningers reologi (viskositet), sedimentationsstabilitet og filmstyrke.

Forskningsdokumenteret overlegenhed af ultralydsapparater til dispergering af nanofyldstoffer

Monteiro et al. (2014) sammenlignede almindelige dispergeringsteknologier – nemlig en rotor-stator-blander, et Cowles-blandehjul og en ultralydsdispergator af sondetypen – med hensyn til deres effektivitet ved dispergering af titandioxid (TiO2, anatas). Sonikering viste sig at være mest effektiv til at dispergere nanopartiklerne i vand med en konventionel Na-PAA-polyelektrolyt og overgik i betydelig grad blanding med en rotor-stator eller et Cowles-blandehjul.
Undersøgelsens detaljer: Forskellige dispergeringsteknikker blev sammenlignet for at identificere den mest effektive til at fremstille en godt deagglomereret vandig nano-TiO2-suspension. Natriumsaltet af polyakrylsyre (Na-PAA), som konventionelt bruges i industrien til vandige TiO2-dispersioner, blev brugt som referencedispergeringsmiddel. Fig. 1 viser de volumenbaserede partikelstørrelsesfordelinger (PSD), der blev opnået med en Cowles-dispergator (30 min ved 2000 rpm), en rotor-stator-blander (30 min ved 14.000 rpm) og sonikering med en sonde (Hielscher UIP1000hdT, 2 min ved 50% amplitude). “Ved brug af Cowles-dispergatoren lå partikelstørrelserne i tre forskellige intervaller: 40–100 nm, 350–1000 nm og 1200–4000 nm. De større agglomerater dominerer tydeligt fordelingen, hvilket viser, at denne teknik er ineffektiv. Rotor-statoren gav også utilfredsstillende resultater, uanset om nanopartiklerne blev tilsat på én gang eller gradvist i løbet af blandetiden. Den væsentligste forskel, der blev observeret i Cowles-resultatet, vedrører forskydningen af den midterste top mod større partikelstørrelser, hvor den delvist smelter sammen med toppen længst til højre. Til gengæld gav brugen af ultralyd et meget bedre resultat med en smal top centreret ved 0,1 nm og to meget mindre toppe i intervallerne 150–280 nm og 380–800 nm.”

Partikelstørrelsesfordelinger for vandige nano-TiO2-dispersioner (10mgmL−1, pH = 9) fremstillet med forskellige dispergeringsteknikker. Sonikering giver de mindste TiO2-nanopartikler og de smalleste kurver for partikelstørrelsesreduktion. Når der blev anvendt dispergeringsmiddel (Na-PAA), var forholdet til nano-TiO2 1:1.
(undersøgelse og grafik: © Monteiro et al., 2014)

Spraytørret TiO2 før og efter ultralydsformaling

Dette resultat stemmer overens med arbejdet af Sato et al. (2008), som rapporterer bedre resultater med sonikering end med andre teknikker til dispergering af TiO2-partikler i nanostørrelse i vand. De chokbølger, der skabes af akustisk kavitation / ultralydskavitation, fører til meget intense kollisioner mellem partiklerne samt effektiv formaling og deagglomerering af partiklerne til ensartede fragmenter i nanoskala.
(jf. Monteiro et al., 2014)

Højtydende ultralydshomogenisatorer til produktion af lak

Når nanopartikler og nanofyldstoffer bruges i industrielle fremstillingsprocesser såsom produktion af lakker og belægninger, skal tørt pulver blandes homogent ind i en væskefase. Dispergering af nanopartikler kræver en pålidelig og effektiv blandeteknik, der tilfører tilstrækkelig energi til at bryde agglomerater, så egenskaberne ved partikler i nanoskala kan udnyttes. Ultralydsapparater er velkendte som kraftige og pålidelige dispergatorer og bruges derfor til at deagglomerere og fordele forskellige materialer såsom silica, nanorør, grafen, mineraler og mange andre materialer homogent i en væskefase såsom harpikser, epoxyharpikser og pigmentmasterbatcher. Hielscher Ultrasonics udvikler, fremstiller og distribuerer højtydende ultralydsdispergatorer til alle typer homogeniserings- og deagglomereringsanvendelser.
Ved produktion af nanodispersioner er præcis styring af sonikeringen og en pålidelig ultralydsbehandling af nanopartikelsuspensionen afgørende for at opnå højtydende produkter. Processorerne fra Hielscher Ultrasonics giver dig fuld kontrol over alle vigtige procesparametre såsom energitilførsel, ultralydsintensitet, amplitude, tryk, temperatur og opholdstid. Dermed kan du justere parametrene til optimerede betingelser, hvilket efterfølgende fører til nanodispersioner af høj kvalitet såsom nanosilica- eller nano-TiO2-suspensioner.

Til enhver volumen / kapacitet: Hielscher tilbyder ultralydsapparater og et bredt udvalg af tilbehør. Dette gør det muligt at konfigurere det ideelle ultralydssystem til din anvendelse og produktionskapacitet. Fra små hætteglas med nogle få milliliter til strømme med store volumener på tusindvis af gallons i timen tilbyder Hielscher den passende ultralydsløsning til din proces.
Høje viskositeter: Ultralydssystemer til inlinebehandling behandler nemt pastaagtige formuleringer, f.eks. pigmentmasterbatcher, hvor et pigment ved høj partikelkoncentration blandes ensartet i en blanding af blødgører, monomer og polymer.
Robusthed: Vores ultralydssystemer er robuste og pålidelige. Alle ultralydsapparater fra Hielscher er bygget til drift 24/7/365 og kræver meget lidt vedligeholdelse.
Brugervenlighed: Den gennemarbejdede software i vores ultralydsapparater gør det muligt at forhåndsvælge og gemme sonikeringsindstillinger, så sonikeringen bliver enkel og pålidelig. Den intuitive menu er let tilgængelig via en digital touchskærm i farver. Fjernstyring via browser giver dig mulighed for at betjene og overvåge via enhver internetbrowser. Automatisk dataregistrering gemmer procesparametrene for hver sonikeringskørsel på et indbygget SD-kort.
Fremragende energieffektivitet: Sammenlignet med alternative dispergeringsteknologier udmærker ultralydsapparater fra Hielscher sig ved enestående energieffektivitet og overlegne resultater med hensyn til partikelstørrelsesfordeling.
Høj kvalitet og robusthed: Ultralydsapparater fra Hielscher er anerkendt for deres kvalitet, pålidelighed og robusthed. Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Ultralydsapparater fra Hielscher er naturligvis CE-konforme og opfylder kravene fra UL, CSA og RoHs.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: