Lacke effizient mit Nanofüllstoffen mischen

Die Herstellung von Lacken erfordert leistungsfähige Mischanlagen, welche Nanopartikel und Pigmente verarbeiten können, die gleichmäßig in die Formulierung eingearbeitet werden müssen. Ultraschallhomogenisatoren sind eine hocheffiziente und zuverlässige Dispergiertechnik, die für eine homogene Verteilung der Nanopartikel in den Polymeren sorgt.

Lackproduktion mit Hochleistungs-Ultraschallmischern

Ein Lack ist ein klarer, transparenter, harter Schutzüberzug oder -film, der aus Harzen (z. B. Acryl, Polyurethan, Alkyd, Schellack), trocknendem Öl, einem Metalltrockner und flüchtigen Lösungsmitteln (z. B. Naphtha, Spiritus oder Verdünner) hergestellt wird. Wenn der Lack trocknet, verdunstet das enthaltene Lösungsmittel, und die verbleibenden Bestandteile oxidieren oder polymerisieren zu einem dauerhaften transparenten Film. Lacke werden meist als Schutzbeschichtungen für Holzoberflächen, Gemälde und verschiedene Dekorationsgegenstände verwendet, während UV-härtende Lacke in der Fahrzeuglackierung, in der Kosmetik, in der Lebensmittelindustrie, in der Wissenschaft und in anderen Bereichen eingesetzt werden.

Ultraschall-Dispergierung von Nano-Silica in Lacken

Ein gängiges Beispiel für das Dispergieren mit Ultraschall ist die Einarbeitung von kolloidalem Silica, das in der Regel zugesetzt wird, um Lacken thixotrope Eigenschaften zu verleihen.
Mit Nanosilika gefüllte Polyetherimidlacke weisen beispielsweise eine bis zu dreißigmal längere Lebensdauer auf als Standardlacke. Nano-Siliciumdioxid verbessert Lackeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit, die Gleich- und Wechselstrom-Durchschlagsfestigkeit sowie die Haftfestigkeit. Ultraschalldispergierer werden daher häufig für die Herstellung elektrisch leitfähiger Beschichtungen eingesetzt.
Andere Silikatminerale, Wollastonit, Talk, Glimmer, Kaolin, Feldspat und Nephelinsyenit sind billige Füllstoffe und werden häufig als so genannte Extenderpigmente verwendet, die zur Veränderung der Rheologie (Viskosität), der Sedimentationsstabilität und der Filmfestigkeit in Beschichtungen eingesetzt werden.

Forschung beweist Überlegenheit von Ultraschallgeräten für die Dispersion von Nanofüllstoffen

Monteiro et al. (2014) verglichen gängige Dispergiertechnologien – Rotor-Stator-Mischer, Cowles-Impeller und Ultraschall-Dispergierer – hinsichtlich ihrer Effizienz beim Dispergieren von Titandioxid (TiO2, Anatase). Die Ultraschallbehandlung erwies sich als die effizienteste Methode zur Dispergierung von Nanopartikeln in Wasser mit herkömmlichem Na-PAA-Polyelektrolyt und übertraf das Mischen mit einem Rotor-Stator- oder Cowles-Impeller deutlich.
Die Details der Studie: Es wurden verschiedene Dispersionstechniken verglichen, um die effektivste Methode zur Herstellung einer gut deagglomerierten wässrigen nano-TiO2-Suspension zu ermitteln. Polyacrylsäure-Natriumsalz (Na-PAA), das üblicherweise in der Industrie für wässrige TiO2-Dispersionen verwendet wird, wurde als Referenzdispergiermittel verwendet. Die Abb. 1 (unten) zeigt die Volumenpartikelgrößenverteilungen (PSD), die unter Verwendung eines Cowles-Dispergierers (30 Min. bei 2000 U/min), eines Rotor-Stator-Mischers (30 Min. bei 14000 U/min) und der Ultraschallbehandlung mit einen Ultraschallstab (Hielscher UIP1000hdT, 2 Minuten bei 50% Amplitude). „Bei Verwendung des Cowles-Dispergierers lagen die Partikelgrößen in drei verschiedenen Bereichen: 40-100 nm, 350-1000 nm und 1200-4000 nm. Die größeren Agglomerate dominieren eindeutig die Verteilung, was zeigt, dass diese Technik ineffizient ist. Der Rotor-Stator lieferte ebenfalls unbefriedigende Ergebnisse, unabhängig davon, ob die Nanopartikel auf einmal oder nach und nach während der Mischzeit zugegeben wurden. Der Hauptunterschied im Cowles-Ergebnis hängt mit der Verschiebung des mittleren Peaks zur höheren Partikelgröße zusammen, der teilweise mit dem rechten Peak verschmilzt. Die Verwendung von Ultraschall ergab dagegen ein deutlich besseres Ergebnis mit einem schmalen Peak bei 0,1 nm und zwei viel kleineren Peaks in den Bereichen 150-280 nm und 380-800 nm.“

Partikelgrößenverteilungen von wässrigen nano-TiO2-Dispersionen (10mgmL-1, pH = 9), die mit verschiedenen Dispergiertechniken hergestellt wurden. Die Ultraschallbehandlung erzielt die kleinsten TiO2-Nanopartikel und die engsten Partikelgrößenverteilungskurven. (Bei Verwendung des Dispergiermittels (Na-PAA) betrug das Verhältnis zu nano-TiO2 1:1.)
(Studie und Grafik: © Monteiro et al., 2014)

Sprühgetrocknetes TiO2: vor und nach dem Ultraschallmahlen

Diese Forschungsergebnisse stimmen mit der Studie von Sato et al. (2008) überein, in der mit Ultraschall bessere Ergebnisse als mit anderen Dispergiertechniken für die Deagglomerierung von nanoskaligen TiO2-Partikeln in Wasser berichten. Die durch akustische Kavitation / Ultraschallkavitation erzeugten Schockwellen führen zu heftigen Kollisionen zwischen den Partikeln und zu einer effizienten Zerkleinerung und Deagglomeration der Partikel zu einheitlichen nanoskaligen Fragmenten.
(vgl. Monteiro et al., 2014)

Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für die Lackproduktion

Bei der Verwendung von Nanopartikeln und Nanofüllstoffen in industriellen Fertigungsprozessen wie der Herstellung von Lacken und Beschichtungen muss trockenes Pulver homogen in eine flüssige Phase eingemischt werden. Für die Dispersion von Nanopartikeln ist eine zuverlässige und wirksame Mischtechnik erforderlich, die genügend Energie aufbringt, um Agglomerate aufzubrechen und so die Funktionalitäten nanoskaliger Partikel zu entfesseln. Ultraschallstabschwinger sind als leistungsstarke und zuverlässige Dispergiermaschinen bekannt und werden daher eingesetzt, um verschiedene Materialien wie Siliziumdioxid, Nanoröhren (CNTs), Graphen, Mineralien und viele andere Materialien homogen in einer flüssigen Phase wie Harzen, Epoxiden und in Pigment-Masterbatches zu verteilen. Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschall-Dispergierer für alle Arten von Homogenisierungs- und Deagglomerierungsanwendungen.
Bei der Herstellung von Nanodispersionen sind eine präzise Steuerung der Beschallung und eine zuverlässige Ultraschallbehandlung der Nanopartikelsuspension unerlässlich, um hochqualitative Endprodukte zu erhalten. Mit den Prozessoren von Hielscher Ultrasonics haben Sie die volle Kontrolle über alle wichtigen Verfahrensparameter wie Energieeintrag, Ultraschallintensität, Amplitude, Druck, Temperatur und Verweilzeit. Dadurch können Sie die Parameter auf optimale Bedingungen einstellen, was in der Folge zu hochwertigen Nano-Dispersionen wie z.B. Nanosilica- oder Nano-TiO2-Slurries führt.

Für jedes Volumen / jede Kapazität: Hielscher bietet Ultraschallgeräte und ein breites Portfolio an Zubehör. Dies ermöglicht die Konfiguration des idealen Ultraschallsystems für Ihre Anwendung und Produktionskapazität. Von kleinen Fläschchen mit wenigen Millilitern bis hin zu großen Volumenströmen von mehreren tausend Litern pro Stunde bietet Hielscher die passende Ultraschall-Lösung für Ihren Prozess.
Hohe Viskosität: Inline-Ultraschallsysteme verarbeiten problemlos pastöse Formulierungen, z. B. Pigment-Masterbatches, bei denen ein Pigment mit hoher Partikelbeladung gleichmäßig in eine Mischung aus Weichmacher, Monomer und Polymer eingearbeitet wird.
Robustheit: Unsere Ultraschallsysteme sind robust und zuverlässig. Alle Hielscher Ultraschallgeräte sind für den 24/7/365-Betrieb ausgelegt und benötigen nur äußerst wenig Wartung.
Benutzerfreundlichkeit: Die ausgefeilte Software unserer Ultraschallgeräte ermöglicht die Vorauswahl und Speicherung von Beschallungseinstellungen für eine einfache und sichere Beschallung. Das intuitive Menü ist über ein digitales farbiges Touch-Display leicht zugänglich. Die Browser-Fernsteuerung ermöglicht die Bedienung und Überwachung über jeden beliebigen Internet-Browser. Mittels automatische Datenaufzeichnung werden die Prozessparameter jedes Beschallungslaufs auf einer eingebauten SD-Karte gespeichert.
Hervorragende Energie-Effizienz: Im Vergleich zu alternativen Dispergiertechnologien zeichnen sich Hielscher Ultraschallgeräte durch eine hervorragende Energieeffizienz und überlegene Ergebnisse bei der Partikelgrößenverteilung aus.
Hochwertige Qualität & Robustheit: Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für ihre Qualität, Zuverlässigkeit und Robustheit. Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf Hochleistungs-Ultraschallgeräte, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Ultraschallgeräte CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: