So mischen Sie Lacke mit Nanofüllstoffen

Die Lackherstellung erfordert leistungsstarke Mischgeräte, die Nanopartikel und Pigmente verarbeiten können, welche gleichmäßig in der Formulierung dispergiert werden müssen. Ultraschallhomogenisatoren bieten eine hocheffiziente und zuverlässige Dispergiertechnik, die eine homogene Verteilung der Nanopartikel in Polymeren gewährleistet.

Lackherstellung mit Hochleistungs-Ultraschallmischern

Ein Klarlack wird als klare, transparente, harte Schutzbeschichtung oder als entsprechender Schutzfilm beschrieben, der aus Harzen (z. B. Acryl, Polyurethan, Alkyd, Schellack), trocknendem Öl, einem metallhaltigen Sikkativ und flüchtigen Lösungsmitteln (z. B. Naphtha, Testbenzin oder Verdünner) formuliert wird. Beim Trocknen des Lacks verdunstet das enthaltene Lösungsmittel, und die verbleibenden Bestandteile oxidieren oder polymerisieren zu einem beständigen transparenten Film. Klarlacke werden überwiegend als Schutzbeschichtungen für Holzoberflächen, Gemälde und verschiedene dekorative Gegenstände verwendet, während UV-härtende Lacke bei Automobilbeschichtungen sowie in der Kosmetik, im Lebensmittelbereich, in der Wissenschaft und in anderen Bereichen eingesetzt werden.

Ultraschalldispergierung von nanoskaligem Siliziumdioxid in Lack

Ein gängiges Beispiel für die Ultraschalldispergierung ist die Einarbeitung von kolloidalem Siliziumdioxid, das üblicherweise zugesetzt wird, um Lacken thixotrope Eigenschaften zu verleihen.
So weist beispielsweise ein mit nanoskaligem Siliziumdioxid gefüllter Polyetherimid-Lack eine bis zu dreißigmal höhere Lebensdauer als ein Standardlack auf. Nanoskaliges Siliziumdioxid verbessert Lackeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit, die Durchschlagfestigkeit bei Gleich- und Wechselspannung sowie die Haftfestigkeit. Ultraschalldispergierer werden daher häufig zur Herstellung elektrisch leitfähiger Beschichtungen eingesetzt.
Andere Silikatminerale wie Wollastonit, Talk, Glimmer, Kaolin, Feldspat und Nephelinsyenit sind kostengünstige Füllstoffe und werden häufig als sogenannte Extenderpigmente eingesetzt. Sie werden zugesetzt, um die Rheologie (Viskosität), Sedimentationsstabilität und Filmfestigkeit von Beschichtungen zu verändern.

Wissenschaftlich belegte Überlegenheit von Ultraschallgeräten bei der Dispergierung von Nanofüllstoffen

Monteiro et al. (2014) verglichen gängige Dispergiertechnologien – nämlich Rotor-Stator-Mischer, Cowles-Rührer und Ultraschalldispergierer mit Sonotrode – hinsichtlich ihrer Effizienz bei der Dispergierung von Titandioxid (TiO2, Anatas). Die Ultraschallbehandlung erwies sich bei der Dispergierung der Nanopartikel in Wasser unter Verwendung eines herkömmlichen Na-PAA-Polyelektrolyten als am effizientesten und übertraf das Mischen mit einem Rotor-Stator-Mischer oder Cowles-Rührer deutlich.
Die Einzelheiten der Studie: Verschiedene Dispergiertechniken wurden verglichen, um die wirksamste Methode zur Herstellung einer gut deagglomerierten wässrigen Nano-TiO2-Suspension zu ermitteln. Das Natriumsalz der Polyacrylsäure (Na-PAA), das in der Industrie üblicherweise für wässrige TiO2-Dispersionen eingesetzt wird, diente als Referenzdispergiermittel. Abb. 1 zeigt die volumenbezogenen Partikelgrößenverteilungen (PSD), die mit einem Cowles-Dispergierer (30 min bei 2000 rpm), einem Rotor-Stator-Mischer (30 min bei 14.000 rpm) und einer Ultraschallbehandlung mit Sonotrode erzielt wurden (Hielscher UIP1000hdT, 2 min 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 die Verteilung deutlich, was zeigt, dass diese Technik ineffizient ist. Auch der Rotor-Stator-Mischer lieferte unbefriedigende Ergebnisse, unabhängig davon, ob die Nanopartikel auf einmal oder schrittweise während der Mischzeit zugegeben wurden. Der wesentliche Unterschied, der beim Cowles-Ergebnis beobachtet wurde, betrifft die Verschiebung des mittleren Peaks zu einer höheren Partikelgröße, wobei dieser teilweise mit dem am weitesten rechts liegenden Peak verschmilzt. Dagegen führte der Einsatz von Ultraschall zu einem wesentlich besseren Ergebnis mit einem schmalen Peak, dessen Zentrum bei 0,1 nm lag, und zwei deutlich kleineren Peaks in den Bereichen 150–280 nm und 380–800 nm.“

Partikelgrößenverteilungen wässriger Nano-TiO2-Dispersionen (10mgmL−1, pH = 9), die mit verschiedenen Dispergiertechniken hergestellt wurden. Die Ultraschallbehandlung liefert die kleinsten TiO2-Nanopartikel und die schmalsten Kurven der Partikelgrößenreduktion. Bei Verwendung eines Dispergiermittels (Na-PAA) betrug dessen Verhältnis zu Nano-TiO2 1:1.
(Studie und Grafik: © Monteiro et al., 2014)

Sprühgetrocknetes TiO2 vor und nach dem Ultraschallmahlen

Dieses Ergebnis stimmt mit der Arbeit von Sato et al. (2008) überein, die bei der Dispergierung nanoskaliger TiO2-Partikel in Wasser bessere Ergebnisse mit Ultraschallbehandlung als mit anderen Verfahren beschreibt. Die durch akustische Kavitation bzw. Ultraschallkavitation erzeugten Stoßwellen führen zu hochintensiven Kollisionen zwischen Partikeln sowie zu einem effizienten Mahlen und Deagglomerieren der Partikel zu gleichmäßigen nanoskaligen Fragmenten.
(vgl. Monteiro et al., 2014)

Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für die Lackherstellung

Wenn Nanopartikel und Nanofüllstoffe in industriellen Fertigungsprozessen wie der Herstellung von Lacken und Beschichtungen eingesetzt werden, muss trockenes Pulver homogen in eine flüssige Phase eingemischt werden. Die Dispergierung von Nanopartikeln erfordert eine zuverlässige und wirksame Mischtechnik, die genügend Energie einträgt, um Agglomerate aufzubrechen und so die Eigenschaften nanoskaliger Partikel zur Geltung zu bringen. Ultraschallgeräte sind als leistungsstarke und zuverlässige Dispergierer bekannt. Sie werden daher eingesetzt, um verschiedene Materialien wie Siliziumdioxid, Nanoröhren, Graphen, Mineralien und viele weitere Materialien zu deagglomerieren und homogen in einer flüssigen Phase wie Harzen, Epoxidharzen und Pigmentmasterbatches zu verteilen. Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschalldispergierer für Homogenisierungs- und Deagglomerationsanwendungen aller Art.
Bei der Herstellung von Nanodispersionen sind eine präzise Steuerung der Beschallung und eine zuverlässige Ultraschallbehandlung der Nanopartikelsuspension entscheidend, um leistungsfähige Produkte zu erhalten. Die Prozessoren von Hielscher Ultrasonics geben Ihnen die volle Kontrolle über alle wichtigen Prozessparameter wie Energieeintrag, Ultraschallintensität, Amplitude, Druck, Temperatur und Verweilzeit. Dadurch können Sie die Parameter auf optimierte Bedingungen einstellen und so hochwertige Nanodispersionen wie Suspensionen aus nanoskaligem Siliziumdioxid oder Nano-TiO2 herstellen.

Für jedes Volumen / jede Kapazität: Hielscher bietet Ultraschallgeräte und ein breites Zubehörsortiment. Damit lässt sich das ideale Ultraschallsystem für Ihre Anwendung und Produktionskapazität konfigurieren. Von kleinen Probengefäßen mit wenigen Millilitern bis hin zu großen Volumenströmen von Tausenden Gallonen pro Stunde bietet Hielscher die passende Ultraschalllösung für Ihren Prozess.
Hohe Viskositäten: Ultraschall-Inline-Systeme verarbeiten problemlos pastöse Formulierungen, z. B. Pigmentmasterbatches, bei denen ein Pigment mit hoher Partikelbeladung gleichmäßig in eine Mischung aus Weichmacher, Monomer und Polymer eingemischt wird.
Robustheit: Unsere Ultraschallsysteme sind robust und zuverlässig. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den 24/7/365-Betrieb ausgelegt und erfordern nur sehr wenig Wartung.
Benutzerfreundlichkeit: Die ausgereifte Software unserer Ultraschallgeräte ermöglicht die Vorauswahl und Speicherung von Beschallungseinstellungen für eine einfache und zuverlässige Beschallung. Das intuitive Menü ist über ein digitales Farb-Touchdisplay leicht zugänglich. Die Fernsteuerung per Browser ermöglicht Ihnen die Bedienung und Überwachung über jeden Internetbrowser. Die automatische Datenaufzeichnung speichert die Prozessparameter jedes Beschallungslaufs auf einer integrierten SD-Karte.
Hervorragende Energieeffizienz: Im Vergleich zu alternativen Dispergiertechnologien zeichnen sich Ultraschallgeräte von Hielscher durch hervorragende Energieeffizienz und überlegene Ergebnisse bei der Partikelgrößenverteilung aus.
Hohe Qualität und Robustheit: Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre Qualität, Zuverlässigkeit und Robustheit bekannt. Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: