Hochleistungsklebstoffformulierungen – verbessert durch Ultraschalldispergierung

Hochleistungsklebstoffe bestehen aus Epoxid-, Silikon-, Polyurethan-, Polysulfid- oder Acrylsystemen mit verschiedenen (Nano-)Füllstoffen und Additiven, die dem Klebstoff besondere Eigenschaften wie hohe Klebfestigkeit, geringes Gewicht, Dauerhaftigkeit, Hitzebeständigkeit und Nachhaltigkeit verleihen. Die Formulierung von Hochleistungsklebstoffen erfordert effizientes und zuverlässiges Mischen. Ultraschalldispergierung und -emulgierung werden eingesetzt, um verschiedene Komponenten gleichmäßig zu homogenen Klebstoffmischungen zu verbinden. Die Inline-Beschallung mischt selbst hochviskose Materialien und hohe Nanofüllstoffanteile zuverlässig und effektiv und ermöglicht so die Herstellung hochwertiger Klebstoffe.

Hohe Ultraschallscherkräfte zur Dispergierung von Hochleistungsklebstoffen

Hochleistungsklebstoffe bieten außergewöhnliche Klebfestigkeit, Dauerhaftigkeit und geringes Gewicht. Je nach Endanwendung werden Polymere, Copolymere und verschiedene Additive nach ausgefeilten Rezepturen kombiniert.

Epoxid-, Silikon-, Polyurethan- und Acrylsysteme für Klebstoffe und Leime werden von Formulierern hergestellt, die die Klebstoffbasis durch Zugabe von Klebrigmachern, mineralischen Füllstoffen (Talkum, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid usw.), Flexibilisatoren, Viskositätssenkern, Farbmitteln, Verdickern, Beschleunigern, Haftvermittlern usw. modifizieren. Diese Modifikationen dienen mehreren Zwecken, etwa der Verbesserung der Leistungsfähigkeit und/oder der Verarbeitbarkeit oder der Kostensenkung. Ultraschall-Hochscherdispergierer eignen sich ideal zur Inline-Formulierung verschiedener Epoxidsysteme und ermöglichen die flexible Herstellung von Klebstoffen, die auf die Anforderungen bestimmter Anwendungen abgestimmt sind.

Ultraschall-Hochschermischer für anspruchsvolle Dispergier- und Emulgieranwendungen

Hochleistungs-Ultraschallprozessoren arbeiten wie Hochschermischer. Die extrem hohen Scherkräfte werden durch Ultraschallkavitation bzw. akustische Kavitation erzeugt und eignen sich ideal zum Emulgieren, Dispergieren, Mahlen, Deagglomerieren und Homogenisieren im Chargen- und Inline-Betrieb. Mit Ultraschall-Inline-Dispergierern lassen sich Materialien mit niedrigen bis hohen Feststoffkonzentrationen und Viskositäten problemlos verarbeiten.

Mischen von Nanomaterialien in Klebstoffen mit hohen Ultraschallscherkräften

Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), metallische Nanopartikel, nanoskaliges Siliziumdioxid, Nanotone, Nanofasern und viele weitere nanoskalige Partikel werden zur Herstellung nanoverstärkter Polymere (Nanokomposite) eingesetzt. Nanopartikel sind dafür bekannt, die mechanischen Eigenschaften (z.B. Steifigkeit, Elastizität), elektrischen Eigenschaften (z.B. Leitfähigkeit), funktionellen Eigenschaften (z.B. Permeabilität, Glasübergangstemperatur, Modul) und das Bruchverhalten duroplastischer Polymerklebstoffe verändern zu können. Nanomaterialien verleihen nicht nur besondere Hochleistungseigenschaften wie Klebfestigkeit, Dauerhaftigkeit, Leitfähigkeit, Elastizität oder Hitzebeständigkeit; durch Zugabe nanostrukturierter Partikel lassen sich auch die Barriereeigenschaften von Polymeren verbessern.
Die hohen Scherkräfte der durch Ultraschall erzeugten akustischen Kavitation sind dafür bekannt, Nanopartikel deagglomerieren und dispergieren und sogar Primärpartikel zerkleinern zu können (Ultraschallmahlen). Werden diese Ultraschallkräfte auf Polymersysteme angewendet, die Nanopartikel und andere Füllstoffe enthalten, entsteht eine sehr gleichmäßige Formulierung. Die Ultraschalldispergierung ist ein energieeffizientes Verfahren mit einem geringeren Energieverbrauch als herkömmliche Schermischverfahren mit Hochschermessermischern, Impellermischern oder Mühlen.

Das Video zeigt das Mischen und Dispergieren von Graphit in 250mL Epoxidharz (Toolcraft L) mittels Ultraschall mit einem Ultraschallhomogenisator (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics stellt Geräte zur Dispergierung von Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Nanodrähten oder Füllstoffen im Labor oder in Produktionsprozessen mit großen Volumina her. Typische Anwendungen sind die Dispergierung von Nano- und Mikromaterialien während der Funktionalisierung oder deren Dispergierung in Harzen oder Polymeren.

Kaboori et al. (2013) zeigten, dass die Ultraschallbehandlung ein wirksames Verfahren zur Dispergierung von Schichtstrukturen aus Montmorillonit (MMT) und zur Entwicklung MMT-verstärkter PVA-Klebstoffe ist. Die Ultraschallbehandlung erwies sich bei der Dispergierung von Nanoton in PVA sowohl bei niedrigen (1% und 2%) als auch bei hohen (4%) Füllstoffanteilen als zuverlässig und effizient.
Das Forschungsteam stellte fest: „Das Ultraschallverfahren ist im Gegensatz zum schnelllaufenden Hochschermischer besonders bei hohen Füllstoffanteilen sehr effizient bei der Dispergierung von Nanoton. Das Hochgeschwindigkeitsmischen konnte Nanoton nur bei niedrigen Füllstoffanteilen in PVA dispergieren und erhöhte die Klebfestigkeit von PVA unter verschiedenen Bedingungen. Das Hochgeschwindigkeitsmischen hat einige Nachteile: mögliche Schädigung der PVA-Emulsion (aufgrund der beim Mischen eingesetzten hohen Scherkräfte), hohe Kosten und hoher Energieverbrauch. Im Gegensatz dazu hat das Ultraschallverfahren nur minimale negative Auswirkungen auf die PVA-Emulsion. Zudem ist das Ultraschallverfahren wirtschaftlich, da das Ultraschallmischen vor der Herstellung von PVA stattfinden kann und die nanotonhaltige Lösung dem PVA während des Produktionsprozesses zugesetzt werden kann. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse dieser Veröffentlichung und unserer früheren Arbeit sowie der Vorteile des Ultraschallverfahrens gegenüber dem Hochgeschwindigkeitsmischen erscheint die Zugabe von Nanoton zu PVA im industriellen Maßstab machbar und kann Herstellern von Holzklebstoffen empfohlen werden.“ (Kaboori et al., 2013)

Entgasungseffekte durch Ultraschall bei der Klebstoffherstellung

Ein weiterer Vorteil der Beschallung, der die Formulierungsergebnisse deutlich verbessert, ist die entgasende Wirkung der Ultraschallbehandlung. Mechanisches Rühren mit hoher Geschwindigkeit (z.B. mit Hochschermessermischern) erzeugt zahlreiche Gasblasen in der Mischung, was in manchen Fällen sogar an einer Aufhellung der Mischung erkennbar ist. Das Ultraschallmischen mit hohen Scherkräften bietet den großen Vorteil, dass bei der Beschallung keine Gase in die Klebstoffformulierung eingetragen werden. Stattdessen bewirken die Ultraschallwellen, dass bereits vorhandene Gasblasen zusammenfließen und zur Flüssigkeitsoberfläche aufsteigen, von der das Gas leicht entfernt werden kann. Dadurch fördert die Ultraschallbehandlung die Entgasung und Entlüftung von Flüssigkeiten und Klebstoffformulierungen. (Vgl. Shadlou et al., 2014)

Hochleistungs-Ultraschalldispergierer für industrielle Klebstoffformulierungen

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschalldispergierer für anspruchsvolle Anwendungen wie die Herstellung von Hochleistungsklebstoffen, hochgefüllten Harzen und Nanokompositen. Ultraschallgeräte von Hielscher werden weltweit zur Dispergierung von Nanomaterialien in Polymeren, Harzen, Beschichtungen und anderen Hochleistungsmaterialien eingesetzt.
Ultraschalldispergierer von Hielscher können über mehrere Zulaufströme beschickt werden, die unterschiedliche Materialien unter kontrollierten Strömungsbedingungen in die kavitationsaktive Mischzone einbringen. Ultraschalldispergierer verarbeiten Materialien mit niedrigen bis hohen Viskositäten zuverlässig und effizient. Je nach Ausgangsmaterialien und angestrebter Partikelzerkleinerung lässt sich die Ultraschallintensität präzise einstellen.
Zur Verarbeitung viskoser Polymerpasten, von Nanomaterialien und hohen Feststoffkonzentrationen muss der Ultraschalldispergierer kontinuierlich hohe Amplituden erzeugen können. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics liefern sehr hohe Amplituden im Dauerbetrieb unter Volllast. 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 nehmen die Intensität der Ultraschallkavitation und die damit verbundenen Scherkräfte zu. Die Ultraschallreaktoren von Hielscher können mit Druck beaufschlagt werden, wodurch sich die Wirkung der Beschallung verstärken lässt.
Prozessüberwachung und Datenaufzeichnung sind für die fortlaufende Prozessstandardisierung und die Produktqualität wichtig. Steckbare Druck- und Temperatursensoren werden zur Überwachung und Steuerung des Ultraschalldispergierprozesses mit dem Ultraschallgenerator verbunden. Alle wichtigen Prozessparameter wie Ultraschallenergie (Netto- und Gesamtenergie), Temperatur, Druck und Zeit werden automatisch protokolliert und auf einer integrierten SD-Karte gespeichert. Durch Zugriff auf die automatisch aufgezeichneten Prozessdaten können Sie frühere Beschallungsdurchläufe überprüfen und die Prozessergebnisse auswerten.
Eine weitere benutzerfreundliche Funktion ist die Fernsteuerung unserer digitalen Ultraschallsysteme über den Browser. Damit können Sie Ihren Ultraschallprozessor von überall aus starten, stoppen, einstellen und überwachen.
Kontaktieren Sie uns jetzt, um mehr über unsere Hochleistungs-Ultraschalldispergierer und deren Anwendungen bei der Herstellung von Hochleistungsklebstoffen und Beschichtungen zu erfahren!
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

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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.