Ultraschall für Beschichtungsformulierungen

Verschiedene Komponenten wie Pigmente, Füllstoffe, chemische Additive, Vernetzer und Rheologiemodifikatoren werden in Beschichtungs- und Lackformulierungen miteinander vermischt. Ultraschall ist eine effektive Mischtechnologie zum Dispergieren und Emulgieren, Deagglomerieren und Mahlen verschiedener Komponenten in Beschichtungen und Coatings.

Ultraschall wird für die Formulierung von Beschichtungen verwendet:

• Emulgierung von Polymeren in wässrigen Systemen
• Dispergierung und Feinmahlen von Pigmenten
• Dispergierung von Nanomaterialien in Hochleistungsbeschichtungen

Beschichtungen lassen sich in zwei große Kategorien untergliedern: Harze und Beschichtungen können entweder auf Wasserbasis und auf Lösungsmittelbasis formuliert werden. Jede Formulierung bringt ihre eigenen Herausforderungen mit sich. Richtlinien, die eine Reduzierung der flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) fordern, sowie hohe Preise für Lösungsmittel fördern das Wachstum von Beschichtungstechnologien auf Wasserbasis. Durch den Einsatz von Ultraschall kann die Leistung sowohl solcher umweltfreundlichen wasserbasierten Systeme als auch lösungmittel-basierter Beschichtungen verbessert werden.

Verbesserte Beschichtungsformulierungen mittels Ultraschall

Ultraschall kann Formulierern von Bau-, Industrie-, Automobil- und Holzbeschichtungen helfen, die Beschichtungseigenschaften, z.B. die Farbstärke, Kratz-, Riss- und UV-Beständigkeit oder die elektrische Leitfähigkeit, zu verbessern. Einige dieser Beschichtungseigenschaften werden durch den Zusatz von Nnaomaterialien erreicht, z. B. Metalloxide (TiO₂Silica, Ceroxid, ZnO, …)

Ultraschall hilft zudem beim Entschäumen (eingeschlossene Blasen) und Entgasen (gelöste Gase) von Flüssigkeiten und hochviskosen Produkten. Lesen Sie mehr über die Entlüftung und Entgasung von Flüssigkeiten mit Ultraschall!

Da die Ultraschall-Dispergiertechnologie im Labor, im Technikum und in der industriellen Produktion erfolgreich eingesetzt wird und Durchsatzraten von über 10 Tonnen/Stunde ermöglicht, ist Hochleistungs-Ultraschall sowohl in der Forschung&Entwicklung als auch in der kommerziellen Produktion weit verbreitet. Die Prozessergebnisse lassen sich zuverlässig und linear hochskalieren.

Hielscher Ultraschallgeräte sind äußerst energieeffizient. Die Geräte setzen ca. 80 bis 90% der elektrischen Eingangsleistung in mechanische Aktivität (Oszillation) in der Flüssigkeit um. Dies führt zu deutlich geringeren Prozesskosten.

Unter den nachstehenden Links finden Sie weitere Informationen zum Einsatz von Hochleistungs-Ultraschall bei der

• Emulgierung von Polymeren in wässrigen Systemen,
• Dispergierung und Feinmahlen von Pigmenten,
• und Zerkleinerung von Nanomaterialien.

Emulsionspolymerisation mittels Ultraschall

Herkömmliche Beschichtungsformulierungen werden auf Basis grundlegender Polymerchemie hergestellt. Der Wechsel zur Beschichtungstechnologie auf Wasserbasis hat Auswirkungen auf die Auswahl der Rohstoffe, die Eigenschaften und die Formulierungsmethoden.

Bei der konventionellen Emulsionspolymerisation, z. B. für wässrige Beschichtungen, werden die Partikel vom Kern bis zur Oberfläche aufgebaut. Kinetische Faktoren beeinflussen die Homogenität und Morphologie der Partikel.

Die Ultraschallbehandlung kann auf zwei Arten eingesetzt werden, um Polymeremulsionen zu erzeugen.

• Top-Down: Emulgieren/Dispergieren von größeren Polymerpartikeln zur Erzeugung kleinerer Partikel durch Zerkleinerung
• Bottom-up: Einsatz von Ultraschall vor oder während der Partikelpolymerisation

 

 

Nanopartikuläre Polymere in Miniemulsionen

Die Polymerisation von Partikeln in Miniemulsionen erlaubt die Herstellung von fein-dispergierten Polymerpartikeln. Bei der Polymerisation mittels Miniemulsionen/Nanoemulsionen lässt sich die Partikelgröße besonder gut kontrollieren. Die Synthese von nanopartikulären Polymerpartikeln in Miniemulsionen (auch bekannt als Nanoreaktoren), wie sie von K. Landfester (2001) vorgestellt wurde, ist eine ausgezeichnete Methode für die Herstellung polymerer Nanopartikel. Bei diesem Ansatz wird die hohe Anzahl kleiner Nanopartikel (disperse Phase) in einer Emulsion als Nanoreaktoren genutzt. In diesen werden die Partikel hochparallel in den einzelnen, eingeschlossenen Tröpfchen synthetisiert. In ihrer Arbeit stellt Landfester (2001) die Polymerisation in Nanoreaktoren in hoher Perfektion zur Erzeugung von hochgradig identischen Partikeln von nahezu einheitlicher Größe vor. Das Bild oben zeigt Partikel, die durch ultraschall-gestützte Polyaddition in Miniemulsionen gewonnen wurden.

Kleine Tröpfchen, die durch die Anwendung hoher Scherkräfte (Ultraschall) erzeugt und durch Stabilisatoren (Emulgatoren) stabilisiert werden, können durch anschließende Polymerisation oder durch Temperaturabsenkung bei niedrig schmelzenden Materialien gehärtet werden. Da mit Ultraschall sehr kleine Tröpfchen von nahezu einheitlicher Größe sowohl im Batch- als auch im kontinuierlichen Produktionsprozess erzeugt werden können, lässt sich dabei die endgültige Partikelgröße gut kontrollieren. Für die Polymerisation von Nanopartikeln können hydrophile Monomere in einer organischen Phase und hydrophobe Monomere in Wasser emulgiert werden.

Bei einer Verringerung der Partikelgröße vergrößert sich gleichzeitig die Gesamtoberfläche der Partikel. Die Abbildung links zeigt die Korrelation zwischen Partikelgröße und Oberfläche im Falle sphärischer (kugelförmiger) Partikel. Daher steigt die zur Stabilisierung der Emulsion erforderliche Tensidmenge fast linear mit der Gesamtpartikeloberfläche. Die Art und Menge des Tensids hat auch Einfluss auf die Tröpfchengröße. Mit anionischen oder kationischen Tensiden lassen sich Tröpfchengrößen von 30 bis 200 nm erzielen.

Pigmente in Beschichtungen

Organische und anorganische Pigmente sind ein wichtiger Bestandteil von Beschichtungsformulierungen. Um die Leistung der Pigmente zu maximieren, ist eine gute Kontrolle über die Partikelgröße erforderlich. Bei der Zugabe von Pigmentpulver zu wässrigen, lösemittelhaltigen oder Epoxid-basierten Systemen neigen die einzelnen Pigmentpartikel zur Bildung großer Agglomerate. Um solche Agglomerate aufzubrechen und die einzelnen Pigmentteilchen zu zerkleinern, werden üblicherweise Mechanismen mit hoher Scherkraft wie Rotor-Stator-Mischer oder Rührwerkskugelmühlen eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung ist eine äußerst effektive Alternative für diesen Schritt des Mahlens und Dispergierens bei der Herstellung von Beschichtungen.

Das nachstehende Diagramm zeigt die Effekte der Beschallung auf die Größe eines Perlglanzpigments. Hochleistungs-Ultraschall zermahlt die einzelnen Pigmentpartikel durch interpartikuläre Kollisionen bei sehr hohen Geschwindigkeiten. Der überragende Vorteil der Beschallung ist die hohe Wirkung der Kavitations- Scherkräfte, welche den Einsatz von Mahlkörpern (z. B. Perlen) überflüssig macht. Da die Partikel durch extrem schnelle Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 1000 km/h beschleunigt werden, prallen sie heftig aufeinander und zerbrechen in kleine Stücke. Durch den Partikelabrieb erhalten die ultraschall-vermahlenen Partikel eine glatte Oberfläche. Insgesamt führt das Ultraschallmahlen und -Dispergieren zu einer feinen und gleichmäßigen Verteilung der Partikel.

 

Das Mahlen und Dispergieren mit Ultraschall übertrifft häufig die Leitung von Hochgeschwindigkeitsmischern und Rührwerkskugelmühlen, da Hochleistungs-Ultraschall eine gleichmäßigere Verarbeitung aller Partikel ermöglicht. Im Allgemeinen führt die Ultraschallbehandlung zu kleineren Partikeln und einer engen Partikelgrößenverteilung (Pigmentmahlkurven). Dies verbessert die Gesamtqualität der Pigmentdispersionen, da größere Partikel in der Regel die Verarbeitungsfähigkeit, den Glanz, die Beständigkeit und das optische Erscheinungsbild beeinträchtigen.

Da das Mahlen und Zerkleinern der Partikel auf der Kollision zwischen den Partikeln infolge der Ultraschallkavitation beruht, können Ultraschallreaktoren relativ hohe Feststoffkonzentrationen (z. B. Masterbatches) verarbeiten und dennoch gute Zerkleinerungseffekte erzielen. Die folgende Tabelle zeigt Bilder der Nassmahlung von TiO2.

Die nachstehende Grafik zeigt die Partikelgrößenverteilungskurven für die Deagglomeration von Degussa Anatas-Titandioxid mittels eines Hielscher Ultraschallprozessors. Die enge Form der Kurve nach der Beschallung ist ein typisches Merkmal der Ultraschall-Vermahlung.

Nanomaterialien in Hochleistungsbeschichtungen

Die Nanotechnologie ist eine Technologie, die sich in vielen Branchen etabliert hat. Nanomaterialien und Nanokomposite werden in Beschichtungsformulierungen verwendet, z. B. zur Verbesserung der Abrieb- und Kratzfestigkeit oder der UV-Stabilität. Die größte Herausforderung bei der Anwendung in Beschichtungen ist die Beibehaltung von Transparenz, Klarheit und Glanz. Daher müssen die Nanopartikel sehr klein sein, damit sie das sichtbare Spektrum des Lichts nicht stören. Für viele Anwendungen liegt diese Partikelgröße deutlich unter 100 nm.

Das Nassmahlen von Hochleistungskomponenten bis in den Nanometerbereich ist ein entscheidender Schritt bei der Formulierung von nanotechnologischen Beschichtungen. Alle Partikel, die das sichtbare Licht stören, verursachen Trübungen und Transparenzverluste. Daher sind sehr enge Größenverteilungen erforderlich. Hochleistungs-Ultraschall ist eine sehr effektive Methode für das Feinmahlen und Dispergieren von Feststoffen. Die Ultraschall- bzw. akustische Kavitation in Flüssigkeiten verursacht Kollisionen zwischen den Partikeln mit hoher Geschwindigkeit. Anders als bei herkömmlichen Perl- und Kugelmühlen zerkleinern sich die Partikel selbst, so dass keine Mahlkörper benötigt werden.

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

Für die Beschallung von brennbaren Flüssigkeiten oder Lösungsmitteln in explosionsgefährdeten Umgebungen sind ATEX-zertifizierte Ultrasonicators erhältlich. Erfahren Sie mehr über das Atex-zertifizierte Ultraschallgerät UIP1000-Exd!