Ultralyd til dispergering og formaling: Maling og pigmenter

Højintensiv ultralyd er velkendt for sine kraftige og præcist kontrollerbare formalings- og dispergeringseffekter. Dette gør ultralydshomogenisatorer ideelle til fremstilling af pigmentpasta og malingsformuleringer. Industrielle ultralydsapparater giver en meget ensartet partikelstørrelsesfordeling i mikro- og nanoområdet. Behandl store volumenstrømme med høj viskositet med Hielscher sonikeringsapparater for at opnå homogen befugtning, dispergering, deagglomerering og formaling!

Fremstilling af maling med ultralyd

Forbedr dine malinger, farver og belægninger med sonikering:

• Formulering: Uanset om der er tale om høj viskositet, højt partikelindhold eller vand- eller opløsningsmiddelbaserede formuleringer – med Hielscher industrielle inline-ultralydsapparater kan du behandle enhver formulering.
• Mikro- og nanostørrelse: De høje forskydningskræfter, der genereres af akustisk kavitation, reducerer partiklerne til meget små partikeldiametre og giver en ensartet dispersion. Ved at tilpasse sonikeringsparametrene til kravene til dine partikler og din formulering kan du sikre en pålidelig fremstilling af pigmenter i nanostørrelse.
• Optiske egenskaber: For at opnå de korrekte optiske egenskaber skal pigmenternes partikelstørrelse kontrolleres. Normalt korrelerer opaciteten med partikelstørrelsen: Jo finere partikelstørrelsen er, desto større er opaciteten. For eksempel behandles TiO2 specifikt til en partikelstørrelse på 0,20 til 0,3 mikrometer, hvilket omtrent svarer til halvdelen af lysets bølgelængde. Sonikering reducerer TiO2-pigmenterne til deres optimale størrelse, så den maksimale dækkeevne opnås.
• Højtydende partikler: Mindre partikelstørrelser giver større farvemætning, farveensartethed og stabilitet. De kraftige, men præcist kontrollerbare ultralydskræfter gør det muligt at fremstille modificerede og funktionaliserede nanopartikler såsom belagte partikler, SWNTs, MWCNTs og kerne-skal-partikler. Sådanne partikler har unikke egenskaber og løfter malings- eller belægningsformuleringer til et nyt niveau af kvalitet og funktionalitet (f.eks. UV-bestandighed, ridsebestandighed, styrke, vedhæftningsevne, høj varmebestandighed samt refleksionsevne for infrarød stråling og solstråling).
• Modificerede partikler: Overflademodificerede pigmenter har meget lav viskositet ved højt pigmentindhold (2,5cP ved 10% tørstof), overlegen suspensionsstabilitet og høj renhed. Ultralydsassisteret partikelfunktionalisering gør det enkelt at syntetisere højtydende pigmenter med særlige egenskaber.

Pigmentpastaer, der formales og dispergeres ved hjælp af ultralydskavitation og høje forskydningskræfter, viser en betydelig størrelsesreduktion og en ensartet fordeling. Diagrammet ovenfor viser den stigende størrelsesreduktion ved stigende ultralydsenergi.

Ved fremstilling af maling skal komponenterne såsom pigmenter, bindemidler/ filmdannere, fortyndingsmidler/ opløsningsmidler, harpikser, fyldstoffer og additiver blandes sammen til en homogen formulering. Pigmenter er den afgørende komponent, som giver malingen dens farve. Det vigtigste hvide pigment er TiO2, som skal formales til en optimal partikelstørrelse på mellem 0,2 og 0,3 mikrometer i diameter for at opnå den ønskede grad af hvidhed, lyshed og opacitet samt et meget højt brydningsindeks. Ultralydens forskydningskræfter giver en meget effektiv og energieffektiv deagglomerering og dispergering af TiO2-partikler (se billedet nedenfor).

TEM af en ultralydsdispergeret suspension af TiO2-nanopartikler med forskellige tørstofkoncentrationer. Sonikeringen blev udført med ultralydsapparatet UIP1000hdT
Venstre: tilført ultralydsenergi 1,8 × 10⁵ J/L – højre: tilført ultralydsenergi 5,4 × 10⁵ J/L
(Undersøgelse og billeder: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ultralydsformaling og -dispergering forbedrer malingens kvalitet ved at forbedre dens farvestyrke, densitet, formalingsfinhed, dispersion og reologi.

Betingelser for ultralydsdispergering og -formaling

Kvaliteten af malinger og belægninger afhænger af en homogen dispersion af pigmenterne. Hielscher Ultrasonics leverer effektivt formalings- og findelingsudstyr til dispergering af maling, især til formuleringer med højt pigmentindhold. Ultralydsdispergatorers virkemåde ved formaling, findeling, deagglomerering og dispergering er hovedsageligt baseret på den forskydning, der genereres af ultralydskavitation. De kavitationsbetingede forskydningskræfter, der er nødvendige for at adskille partiklerne, frembringes af store trykforskelle, lokale varmezoner og væskestråler, som får partiklerne til at brydes op ved kollisioner mellem partiklerne.
Industrielle ultralydsdispergatorer såsom UIP16000hdT med 16.000 watt pr. ultralydssonde har kapacitet til at behandle store volumenstrømme af malinger og belægninger.

Sonikeret kalkmaling på grindometeret viser pigmenternes fuldstændig ensartede deagglomerering og partikelstørrelsesfordeling

Dispergering af nanopartikler

Ultralydsformaling og -dispergering er ofte den eneste metode til effektiv behandling af nanopartikler med henblik på at opnå enkeltvis dispergerede primærpartikler. En lille primærpartikelstørrelse giver et stort overfladeareal og korrelerer med fremkomsten af unikke partikelegenskaber og funktionaliteter. Samtidig er en mindre partikelstørrelse forbundet med en høj overfladeenergi, som medfører kraftigere aggregering og reaktivitet, så de kraftige dispergeringskræfter fra ultralyd er nødvendige for at dispergere nanopartiklerne homogent i formuleringen.
Desuden kan en overfladebehandling med ultralyd modificere nanopartiklerne, hvilket fører til forbedret dispergerbarhed, dispersionsstabilitet, hydrofobicitet og andre egenskaber.
Forskere har anbefalet ultralydsdispergering som den foretrukne løsning til nanopartikler, “fordi materialet, der dispergeres med ultralydsmetoden, er meget renere end det, der fremstilles ved perleformaling.” [Kim et al. 2010].

Ultralydsdispergeringsteknikken har mange fordele sammenlignet med traditionelle formalingsteknologier såsom trevalseværker, kuglemøller eller møller med formalingsmedier.

Læs mere om ultralydshomogenisering og dispergering af pigmenter og farvestoffer til masterbatcher og malingsformuleringer!

Litteratur / Referencer

• 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.