Ultraschall für Beschichtungsformulierungen

Verschiedene Komponenten wie Pigmente, Füllstoffe, chemische Additive, Vernetzer und Rheologiemodifikatoren werden in Beschichtungs- und Lackformulierungen eingesetzt. Ultraschall ist ein wirksames Verfahren zum Dispergieren, Emulgieren, Deagglomerieren und Mahlen solcher Komponenten in Beschichtungen.

Ultraschall wird bei der Formulierung von Beschichtungen eingesetzt für:

• die Emulgierung von Polymeren in wässrigen Systemen
• das Dispergieren und Feinmahlen von Pigmenten
• die Zerkleinerung von Nanomaterialien in Hochleistungsbeschichtungen

Beschichtungen lassen sich in zwei große Kategorien einteilen: wasserbasierte und lösemittelbasierte Harze und Beschichtungen. Jeder Typ bringt eigene Herausforderungen mit sich. Vorgaben zur Reduzierung flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) und hohe Lösemittelpreise fördern das Wachstum von Technologien für wasserbasierte Harzbeschichtungen. Durch Ultraschallbehandlung lässt sich die Leistungsfähigkeit solcher umweltfreundlichen Systeme verbessern.

Verbesserte Beschichtungsformulierungen durch Ultraschallbehandlung

Ultraschall kann Entwicklern von Bau-, Industrie-, Automobil- und Holzbeschichtungen helfen, Beschichtungseigenschaften wie Farbstärke, Kratz-, Riss- und UV-Beständigkeit oder elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Einige dieser Beschichtungseigenschaften werden durch die Zugabe von Materialien in Nanogröße erreicht, z. B. Metalloxiden (TiO₂, Siliziumdioxid, Ceroxid, ZnO, …).

Ultraschall unterstützt außerdem die Entschäumung (eingeschlossene Blasen) und Entgasung (gelöstes Gas) hochviskoser Produkte. Lesen Sie mehr über die Entlüftung und Entgasung von Flüssigkeiten mit Ultraschall!

Da die Ultraschalldispergiertechnologie im Labor, mit Tischgeräten und in der industriellen Produktion eingesetzt werden kann und Durchsätze von über 10 Tonnen/Stunde ermöglicht, wird sie sowohl in Forschung und Entwicklung als auch in der kommerziellen Produktion angewendet. Die Prozessergebnisse lassen sich einfach und linear auf einen größeren Maßstab übertragen.

Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind sehr energieeffizient. Die Geräte wandeln ca. 80 bis 90% der elektrischen Eingangsleistung in mechanische Aktivität in der Flüssigkeit um. Dies führt zu deutlich geringeren Prozesskosten.

Über die folgenden Links erfahren Sie mehr über den Einsatz von Hochleistungsultraschall für

• die Emulgierung von Polymeren in wässrigen Systemen,
• das Dispergieren und Feinmahlen von Pigmenten,
• und die Zerkleinerung von Nanomaterialien.

Emulsionspolymerisation mittels Ultraschallbehandlung

Traditionelle Beschichtungsformulierungen nutzen grundlegende Polymerchemie. Der Wechsel zu wasserbasierter Beschichtungstechnologie wirkt sich auf die Auswahl der Rohstoffe, die Eigenschaften und die Formulierungsmethoden aus.

Bei der konventionellen Emulsionspolymerisation, z. B. für wasserbasierte Beschichtungen, wachsen die Partikel von ihrem Zentrum bis zu ihrer Oberfläche. Kinetische Faktoren beeinflussen die Homogenität und Morphologie der Partikel.

Die Ultraschallbehandlung kann auf zwei Arten zur Herstellung von Polymeremulsionen eingesetzt werden.

• Top-down: Emulgieren/Dispergieren größerer Polymerpartikel, um durch Zerkleinerung kleinere Partikel zu erzeugen
• Bottom-up: Einsatz von Ultraschall vor oder während der Partikelpolymerisation

 

In diesem Video zeigen wir Ihnen ein 2-Kilowatt-Ultraschallsystem für den Inline-Betrieb in einem spülbaren Schrank. Hielscher liefert Ultraschallgeräte für nahezu alle Branchen, etwa die Chemie-, Pharma- und Kosmetikindustrie, sowie für petrochemische Prozesse und lösungsmittelbasierte Extraktionsverfahren. Dieser spülbare Edelstahlschrank ist für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen ausgelegt. Dazu kann der Kunde den abgedichteten Schrank mit Stickstoff oder Frischluft spülen, um das Eindringen entzündlicher Gase oder Dämpfe zu verhindern.

 

Nanopartikuläre Polymere in Miniemulsionen

Die Polymerisation von Partikeln in Miniemulsionen ermöglicht die Herstellung dispergierter Polymerpartikel mit guter Kontrolle über die Partikelgröße. Die von K. Landfester (2001) vorgestellte Synthese nanopartikulärer Polymerpartikel in Miniemulsionen (auch als Nanoreaktoren bezeichnet) ist eine hervorragende Methode zur Bildung polymerer Nanopartikel. Dieser Ansatz nutzt die große Anzahl kleiner Nanokompartimente (disperse Phase) in einer Emulsion als Nanoreaktoren. Darin werden die Partikel in den einzelnen, räumlich begrenzten Tröpfchen hochgradig parallel synthetisiert. In ihrer Veröffentlichung stellt Landfester (2001) ein hochpräzises Verfahren zur Polymerisation in Nanoreaktoren vor, mit dem weitgehend identische Partikel von nahezu einheitlicher Größe erzeugt werden. Die Abbildung oben zeigt Partikel, die durch ultraschallunterstützte Polyaddition in Miniemulsionen erhalten wurden.

Kleine Tröpfchen, die durch hohe Scherung (Ultraschallbehandlung) erzeugt und durch Stabilisierungsmittel (Emulgatoren) stabilisiert werden, können durch anschließende Polymerisation oder bei Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt durch Absenkung der Temperatur verfestigt werden. Da die Ultraschallbehandlung sowohl im Chargenbetrieb als auch im Produktionsprozess sehr kleine Tröpfchen von nahezu einheitlicher Größe erzeugen kann, ermöglicht sie eine gute Kontrolle über die endgültige Partikelgröße. Für die Polymerisation von Nanopartikeln können hydrophile Monomere in eine organische Phase und hydrophobe Monomere in Wasser emulgiert werden.

Bei einer Verringerung der Partikelgröße nimmt gleichzeitig die gesamte Partikeloberfläche zu. Die Abbildung links zeigt den Zusammenhang zwischen Partikelgröße und Oberfläche bei kugelförmigen Partikeln. Daher steigt die zur Stabilisierung der Emulsion erforderliche Tensidmenge nahezu linear mit der gesamten Partikeloberfläche. Art und Menge des Tensids beeinflussen die Tröpfchengröße. Mit anionischen oder kationischen Tensiden lassen sich Tröpfchen von 30 bis 200nm erzeugen.

Pigmente in Beschichtungen

Organische und anorganische Pigmente sind ein wichtiger Bestandteil von Beschichtungsformulierungen. Um die Leistungsfähigkeit der Pigmente zu maximieren, ist eine gute Kontrolle über die Partikelgröße erforderlich. Bei der Zugabe von Pigmentpulver zu wasserbasierten, lösemittelbasierten oder Epoxidsystemen neigen die einzelnen Pigmentpartikel dazu, große Agglomerate zu bilden. Üblicherweise werden Verfahren mit hoher Scherung, etwa Rotor-Stator-Mischer oder Rührwerkskugelmühlen, eingesetzt, um solche Agglomerate aufzubrechen und die einzelnen Pigmentpartikel zu zerkleinern. Die Ultraschallbehandlung ist eine äußerst wirksame Alternative für diesen Schritt bei der Herstellung von Beschichtungen.

Die Diagramme unten zeigen den Einfluss der Ultraschallbehandlung auf die Größe eines Perlglanzpigments. Der Ultraschall zerkleinert die einzelnen Pigmentpartikel durch Kollisionen zwischen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit. Der wesentliche Vorteil der Ultraschallbehandlung ist die starke Wirkung kavitationsbedingter Scherkräfte, die den Einsatz von Mahlkörpern (z. B. Kugeln, Perlen) überflüssig macht. Da die Partikel durch extrem schnelle Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 1000km/h beschleunigt werden, prallen sie heftig aufeinander und zerbrechen in kleine Stücke. Partikelabrieb verleiht den mit Ultraschall gemahlenen Partikeln eine glatte Oberfläche. Insgesamt führen Ultraschallmahlung und -dispergierung zu kleinen Partikeln mit einer gleichmäßigen Größenverteilung.

 

Ultraschallmahlung und -dispergierung sind Hochgeschwindigkeitsmischern und Mahlkörpermühlen häufig überlegen, da die Ultraschallbehandlung eine gleichmäßigere Verarbeitung aller Partikel ermöglicht. Im Allgemeinen erzeugt die Ultraschallbehandlung kleinere Partikelgrößen und eine enge Partikelgrößenverteilung (Pigmentmahlkurven). Dies verbessert die Gesamtqualität der Pigmentdispersionen, da größere Partikel typischerweise die Verarbeitbarkeit, den Glanz, die Beständigkeit und das optische Erscheinungsbild beeinträchtigen.

Da die Partikelmahlung und -zerkleinerung auf Kollisionen zwischen Partikeln infolge von Ultraschallkavitation beruht, können Ultraschallreaktoren recht hohe Feststoffkonzentrationen (z. B. Masterbatches) verarbeiten und dennoch gute Zerkleinerungsergebnisse erzielen. Die Tabelle unten zeigt Bilder der Nassmahlung von TiO2.

Das Diagramm unten zeigt die Partikelgrößenverteilungskurven für die Deagglomeration von Degussa-Anatas-Titandioxid durch Ultraschallbehandlung. Die schmale Form der Kurve nach der Beschallung ist ein typisches Merkmal der Ultraschallbehandlung.

Nanomaterialien in Hochleistungsbeschichtungen

Die Nanotechnologie ist eine aufstrebende Technologie, die in vielen Branchen Einzug hält. Nanomaterialien und Nanokomposite werden in Beschichtungsformulierungen eingesetzt, z. B. um die Abrieb- und Kratzbeständigkeit oder die UV-Stabilität zu verbessern. Die größte Herausforderung beim Einsatz in Beschichtungen ist der Erhalt von Transparenz, Klarheit und Glanz. Daher müssen die Nanopartikel sehr klein sein, um eine Beeinträchtigung des sichtbaren Lichtspektrums zu vermeiden. Für viele Anwendungen muss ihre Größe deutlich unter 100nm liegen.

Die Nassmahlung von Hochleistungskomponenten bis in den Nanometerbereich wird zu einem entscheidenden Schritt bei der Formulierung nanotechnologisch entwickelter Beschichtungen. Alle Partikel, die das sichtbare Licht beeinträchtigen, verursachen Trübung und einen Verlust an Transparenz. Daher sind sehr enge Größenverteilungen erforderlich. Die Ultraschallbehandlung ist ein sehr wirksames Verfahren zum Feinmahlen von Feststoffen. Ultraschallkavitation bzw. akustische Kavitation in Flüssigkeiten verursacht Kollisionen zwischen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit. Anders als bei konventionellen Perlmühlen und Kieselsteinmühlen zerkleinern sich die Partikel gegenseitig, wodurch Mahlkörper überflüssig werden.

Unternehmen wie Panadur (Deutschland) verwenden Ultraschallgeräte von Hielscher zum Dispergieren und Deagglomerieren von Nanomaterialien in In-Mould-Beschichtungen. Klicken Sie hier, um mehr über die Ultraschalldispergierung von In-Mould-Beschichtungen zu erfahren!

Für die Ultraschallbehandlung brennbarer Flüssigkeiten oder Lösemittel in explosionsgefährdeten Bereichen stehen ATEX-zertifizierte Prozessoren zur Verfügung. Erfahren Sie mehr über das ATEX-zertifizierte Ultraschallgerät UIP1000-Exd!