Leistungsstarke Klebstoffe – mittels Ultraschalldispersion

Hochleistungsklebstoffe bestehen aus Epoxid-, Silikon-, Polyurethan-, Polysulfid- oder Acrylat-Systemen, die verschiedene (Nano-)Füllstoffe und Additive enthalten, welche dem Klebstoff besondere Eigenschaften wie Haftfestigkeit, geringes Gewicht, Haltbarkeit, Hitzebeständigkeit und Nachhaltigkeit verleihen. Zur Formulierung von Hochleistungs-Klebstoffen ist ein effizientes und zuverlässiges Mischen erforderlich. Durch Dispergieren und Emulgieren mit Ultraschall werden verschiedene Komponenten gleichmäßig zu homogenen Klebstoffmischungen verbunden. Die Inline-Beschallung mischt selbst hochviskose Materialien und hohe Nano-Füllstoffgehalte zuverlässig und effektiv zu Hochleistungs-Klebstoffen.

Ultraschall-Hochscherkräfte für die Dispersion von Hochleistungsklebstoffen

Hochleistungsklebstoffe bieten außergewöhnliche Klebekraft, Haltbarkeit und geringes Gewicht. Je nach Endanwendung werden Polymere, Copolymere und mehrere Additive nach ausgearbeiteten Rezepturen formuliert.

Ultrasonic milling and dispersing is a highly efficient method for particle size reduction, e.g. magnesium hydride

Das Nassmahlen und Dispergieren mit Ultraschall ist eine hocheffiziente Methode zur Partikelzerkleinerung, z.B. von TiO2 und anderen Nanopartikeln

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Industrial ultrasonic dispersion system with 16kW for continuous inline processing of high-performance adhesives, polymers, coatings, and resins.

MultiSonoReactor mit 4x 4kW für intensive Ultraschallanwendungen wie z.B. die Herstellung von nano-verstärkten Klebstoffen.

High-performance adhesive and glue production benefits significantly from ultrasonic dispersion. Sonication incorporates nanofillers and additives uniformly into polymer matrices.Epoxid-, Silikon-, Polyurethan- und Acrylsysteme für Klebstoffe und Leime werden von Formulierern hergestellt, welche die Klebstoffbasis durch Zugabe von Klebrigmachern, mineralischen Füllstoffen (Talkum, Siliziumdioxid, Aluminium usw.), Flexibilisatoren, Viskositätssenkern, Farbstoffen, Verdickern, Beschleunigern, Haftvermittlern usw. modifizieren. Diese Modifikationen dienen verschiedenen Zwecken, z.B. die Klebeperformanz, die Verarbeitungsfreundlichkeit oder die Kosteneffizienz zu verbessern. Ultraschall-High-Shear-Dispergierer sind ideal für die Inline-Formulierung verschiedener Epoxidsysteme und ermöglichen die flexible Herstellung von Klebstoffen, welche für bestimmter Anwendungen maßgeschneidert sind.

Ultraschall-High-Shear-Mischer für anspruchsvolle Dispersions- und Emulsionsanwendungen

Hochleistungs-Ultraschallprozessoren arbeiten ähnlich wie Rührer oder Mischer mit hoher Scherkraft. Die extrem hohen Scherkräfte werden durch Ultraschall / akustische Kavitation erzeugt und sind ideal für Batch- und Inline-Prozesse bei denen emulgiert, dispergiert, vermahlt, desagglomeriert und homogenisiert werrden soll. Niedrige bis hohe Feststoffkonzentrationen und Viskositäten können mit Ultraschall-Inline-Dispergierern problemlos verarbeitet werden.

High-Shear-Mischen von Nanomaterialien in Klebstoffen mittels Ultraschall

Ultrasonic dispersion is a well established technique to disperse nanoparticles and nanotubes in polymers, e.g. in high-performance adhesives. The ultrasonic homogenizer UP400St is a powerful device for the dispersion of nanofillers.Nanomaterialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), metallische Nanopartikel, Nano-Silika, Nano-Tone, Nanofasern und viele andere Partikel in Nanogröße werden zur Herstellung von nanoverstärkten Polymeren (Nanoverbundstoffen) verwendet. Nanopartikel sind dafür bekannt, dass sie die mechanischen Eigenschaften (z.B. Steifigkeit, Elastizität), die elektrischen Eigenschaften (z.B. Leitfähigkeit), die funktionellen Eigenschaften (z.B. Permeabilität, Glasübergangstemperatur, Modul) und das Bruchverhalten von duroplastischen Polymerklebstoffen verändern können. Nanomaterialien verleihen nicht nur besondere Hochleistungseigenschaften wie Haftfestigkeit, Haltbarkeit, Leitfähigkeit, Elastizität oder Hitzebeständigkeit, sondern können durch den Zusatz von nanostrukturierten Partikeln auch die Barriereeigenschaften von Polymeren verbessern.
Die hohen Scherkräfte, welche entstehen, wenn akustischen Kavitation mittels Hochleistungs-Ultrascahall erzeugt wird, werden eingesetzt, um Nanopartikel zu desagglomerieren und dispergieren und sogar um Primärpartikel zu brechen (d.h. Ultraschallmahlen). Wenn diese Ultraschallkräfte auf Polymersysteme angewendet werden, welche Nanopartikel und andere Füllstoffe enthalten, erhält man eine sehr einheitliche Formulierung. Die Ultraschall-Dispergierung ist eine energieeffiziente Methode, die im Vergleich zu herkömmlichen Mischverfahren wie Schermischern, Impellermischern oder Mühlen weniger Energie verbraucht.

Vorteile von mittels Ultraschall formulierten Klebstoffen

  • Zuverlässige und effiziente Dispergierung
  • Hervorragende Mischleistung
  • Schneller Mischprozess
  • hoher Durchsatz
  • Nano-Komposite
  • Entgasung
  • Erhöhte Haftfestigkeit/Haftzugfestigkeit
  • Problemloses Verarbeiten hoher Viskositäten
  • Batch und In-line
  • Risikofreie Entwicklung und Prüfung
  • lineares Scale-up
  • energieeffizient

Kaboori et al. (2013) wiesen nach, dass die Ultraschallverarbeitung eine wirksame Methode zur Dispersion von Schichtstrukturen aus Montmorillonit (MMT) und zur Entwicklung von MMT-verstärkten PVA-Klebstoffen ist. Die Ultraschalldispergierung erwies sich als zuverlässig und effizient beim Homogenisieren von Nanoton (Nanoclay) in PVA bei niedrigen (1 % und 2 %) und hohen (4 %) Feststoffkonzentrationen.
Das Forscherteam fand heraus, dass die "Ultraschalltechnik bei der Dispergierung von Nanoton besonders bei hohen Feststoffkonzentrationen sehr effizient ist, vor allem im Vergleich einem herkömmlichen Hochscher-Mischer. Das Hochgeschwindigkeitsmischen konnte Nanoton nur bei niedrigen Feststoffkonzentrationen in PVA dispergieren und erhöhte die Haftfestigkeit von PVA nur unter anderen Bedingungen. Das Hochgeschwindigkeitsmischen hat einige Nachteile: mögliche Beschädigung der PVA-Emulsion (aufgrund der starken Scherkraft während des Mischens), hohe Kosten und hoher Energieverbrauch. Im Gegensatz dazu hat die Ultraschalltechnik nur minimale negative Auswirkungen auf die PVA-Emulsion. Darüber hinaus ist die Ultraschalltechnik wirtschaftlich, da das Mischen mit Ultraschall vor der Herstellung von PVA erfolgen kann und die Nanoton-Suspension während des Herstellungsprozesses zu PVA hinzugefügt werden kann. In Anbetracht der Ergebnisse dieser Arbeit und unserer früheren Arbeiten sowie der Vorteile der Ultraschalltechnik gegenüber dem Hochgeschwindigkeitsmischen scheint die Zugabe von Nanoton zu PVA in industriellem Maßstab machbar und kann den Herstellern von Holzklebstoffen empfohlen werden." (Kaboori et al., 2013)

Ultrasonic high-shear mixing and dispersion is used to incorporate nano-fillers into polymer matrices, e.g. for high-performance adhesive production

Vergleich verschiedener in Härter dispergierter Nano-Füllstoffe (Dispergierung mittels Ultraschall): (a) 0,5 Gew.-% Kohlenstoff-Nanofaser (CNF); (b) 0,5 Gew.-% CNT oxidiert

Studie und Bild: Zanghellini et al., 2021

Ultraschall-Entgasungseffekte bei der Klebstoffherstellung

Ein weiterer Vorteil der Beschallung, der die Formulierungsergebnisse erheblich verbessert, ist die entgasende Wirkung der Ultraschallbehandlung. Mechanisches Rühren mit hoher Geschwindigkeit (z.B. mit Hochschermischern) erzeugt eine große Anzahl von Gasblasen in der Mischung, die in einigen Fällen sogar durch die aufgehellte Farbe der Mischung wahrgenommen werden können. Das Mischen mittels Ultraschall-Scherung hat den großen Vorteil, dass die Beschallungstechnik keine Gase in die Klebstoffformulierung einbringt. Stattdessen zwingen die Ultraschallwellen bereits vorhandene Gasblasen dazu, zu koaleszieren und an die Flüssigkeitsoberfläche zu schwimmen, von wo das Gas leicht entfernt werden kann. Auf diese Weise fördert die Ultraschallbehandlung die Entgasung und Entlüftung von Flüssigkeiten und Klebstoffformulierungen. (vgl. Shadlou et al., 2014)

Ultraschallgerät UP200St (200W) zum Dispergieren von Carbon Black in Wasser unter Verwendung von 1 Gew.-% Tween80 als Tensid

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Hochleistungs-Ultraschalldispergierer für die industrielle Klebstoffproduktion

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschall-Dispergierer für anspruchsvolle Anwendungen wie die Herstellung von Hochleistungsklebstoffen, hochgefüllten Harzen und Nanokompositen. Hielscher Ultraschallgeräte werden weltweit zum Dispergieren von Nanomaterialien in Polymeren, Harzen, Beschichtungen und anderen Hochleistungsmaterialien eingesetzt.
Ultrasonic industrial disperser for the high-shear mixing of nanofillers in adhesive formulations.Hielscher Ultraschall-Dispergierer können über verschiedene Zuführströme beschickt werden, welche unterschiedliche Materialien unter kontrollierten Strömungsbedingungen in die Kavitationsmischzone einbringen. Ultraschall-Dispergierer arbeiten zuverlässig und effizient bei der Verarbeitung niedriger bis hoher Viskositäten. Je nach Rohstoffen und angestrebter Dispersionsgröße kann die Ultraschallintensität präzise eingestellt werden.
Um viskose Polymerpasten, Nanomaterialien und hohe Feststoffkonzentrationen verarbeiten zu können, muss der Ultraschall-Dispergierer in der Lage sein, kontinuierlich hohe Amplituden zu erzeugen. Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können im Dauerbetrieb unter Volllast sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb gefahren werden. Die Möglichkeit, einen Ultraschalldispergierer mit hohen Amplituden zu betreiben und die Amplitude präzise einzustellen, ist notwendig, um die Ultraschallprozessbedingungen an die Formulierung von Hochleistungsklebstoffen, nanoverstärkten Polymermischungen und Nanokompositen anzupassen.
Neben der Ultraschallamplitude ist der Druck ein weiterer sehr wichtiger Prozessparameter. Bei erhöhtem Druck wird die Intensität der Ultraschallkavitation und ihrer Scherkräfte verstärkt. Hielscher Ultraschallreaktoren können mit Druck beaufschlagt werden, so dass intensivere Beschallungsergebnisse erzielt werden.
Prozessüberwachung und Datenaufzeichnung sind wichtig für die kontinuierliche Prozessstandardisierung und Produktqualität. Zur Überwachung und Steuerung des Ultraschall-Dispergierprozesses werden steckbare Druck- und Temperatursensoren mit dem Ultraschallgenerator verdrahtet. Alle wichtigen Prozessparameter wie Ultraschallenergie (Netto- + Gesamtleistung), Temperatur, Druck und Zeit werden automatisch protokolliert und auf einer eingebauten SD-Karte gespeichert. Durch den Zugriff auf die automatisch aufgezeichneten Prozessdaten können Sie frühere Beschallungsläufe revidieren und die Prozessergebnisse auswerten.
Ein weiteres benutzerfreundliches Feature ist die Browser-Fernsteuerung unserer digitalen Ultraschallsysteme. Per Browser-Fernsteuerung können Sie Ihren Ultraschallprozessor von überall aus starten, stoppen, einstellen und überwachen.
Kontaktieren Sie uns jetzt, um mehr über unsere Hochleistungs-Ultraschall-Dispergierer und ihre Anwendungen bei der Herstellung von Hochleistungsklebstoffen und Beschichtungen zu erfahren!
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



Literatur / Literaturhinweise

Wissenswertes

Hochleistungsklebstoffe und -leime

Hochleistungsklebstoffe, -leime und Superklebstoffe werden in vielen Branchen eingesetzt. Ein wichtiger Vorteil von Hochleistungsklebstoffen ist ihre außergewöhnliche Klebekraft und ihr geringes Gewicht. Hochleistungsklebstoffe werden unter anderem im Baugewerbe, in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, bei der Herstellung von medizinischen Geräten, Gebrauchsgütern und Schuhen eingesetzt.
Polymere sind das Basismaterial für Klebstoffe. Zu den häufig verwendeten Polymeren gehören Polyester, Copolyester, Copolyamid-Elastomere, Polyole und Polyurethan (PU).
Für jede Branche und Anwendung gibt es spezielle Klebstoffe mit angepassten Eigenschaften. So werden beispielsweise wasserbasierte Laminierklebstoffsysteme häufig für Lebensmittelverpackungen verwendet, während thermoplastische Hochleistungsklebstoffe auf Polyurethanbasis in der Schuhindustrie weit verbreitet sind. Basierend auf der Formulierungstechnologie können die Hochleistungs-Klebstoffe in die vier Hauptsegmente lösungsmittelbasiert, wasserbasiert, Hotmelt und UV-härtend unterteilt werden. Bei der Herstellung all dieser Hochleistungs-Klebstofftypen werden Ultraschallprozessoren für die Dispersion und Emulgierung eingesetzt.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.