Ultraschall fürs Dispergieren und Mahlen: Farben & Pigmente

Leistungsultraschall ist bekannt für seine intensive und präzise steuerbare Mahl- und Dispergierwirkung. Dies macht Ultraschallhomogenisatoren ideal für die Herstellung von Pigmentpasten und Farbformulierungen. Industrielle Ultraschallhomogenisatoren sorgen für eine sehr gleichmäßige Partikelgrößenverteilung im Mikron- und Nanobereich. Verarbeiten Sie große Volumenströme mit hoher Viskosität mit Hielscher-Schallgeräten und erzielen Sie eine homogene Benetzung, Dispergierung, Deagglomeration und Vermahlung!

Farbproduktion mit Ultraschall

Verbessern Sie Ihre Farben, Pigmentpasten und Lacke mittels Ultraschall:

• Formulierung: Egal ob Sie Farbpasten mit hoher Viskosität, hoher Partikelladung in einer wässrigen oder lösemittelhaltigen Suspension behandeln wollen – Mit den industriellen Inline-Ultraschallgeräten von Hielscher können Sie jede Formulierung verarbeiten.
• Mikron- und Nano-Größe: Die durch die akustische Kavitation erzeugten hohen Scherkräfte reduzieren die Partikel auf winzige Partikeldurchmesser und sorgen für eine gleichmäßige Dispersion. Die Anpassung der Ultraschallparameter an Ihre Partikel- und Formulierungsanforderungen ermöglicht eine zuverlässige Produktion von Pigmenten in Nanogröße.
• Optische Eigenschaften: Um die richtigen optischen Eigenschaften zu erzielen, muss die Größe der Pigmentteilchen kontrolliert werden. In der Regel korreliert die Opazität mit der Partikelgröße: je feiner die Partikelgröße, desto höher die Opazität. TiO2 wird beispielsweise speziell auf eine Teilchengröße von 0,20 bis 0,3 Mikrometer verarbeitet, was ungefähr der halben Wellenlänge des Lichts entspricht. Durch die Ultraschallbehandlung werden die TiO2-Pigmente auf ihre optimale Größe reduziert, so dass eine optimale Deckkraft erreicht wird.
• High Performance Partikel: Kleinere Partikelgrößen führen zu einer größeren Farbsättigung, Farbkonsistenz und Stabilität. Die intensiven, aber präzise steuerbaren Ultraschallkräfte ermöglichen die Herstellung modifizierter und funktionalisierter Nanopartikel, wie beschichtete Partikel, SWNTs, MWCNTs und Kern-Schale-Partikel. Solche Partikel weisen einzigartige Eigenschaften auf und heben Lack- oder Beschichtungsformulierungen auf ein neues Qualitäts- und Funktionsniveau (z. B. UV-Beständigkeit, Kratzfestigkeit, Festigkeit, Haftfähigkeit, hohe Hitzebeständigkeit, Infrarot- und Sonnenreflexionsvermögen).
• Modifizierte Partikel: Oberflächenmodifizierte Pigmente haben eine sehr niedrige Viskosität bei hoher Pigmentbeladung (2,5 cP bei 10 % Feststoffen), eine hervorragende Suspensionsstabilität und eine hohe Reinheit. Die ultraschallunterstützte Partikelfunktionalisierung ermöglicht die einfache Synthese von Hochleistungspigmenten mit besonderen Eigenschaften.

Pigmentpasten, die mit Hilfe von Ultraschallkavitation und hohen Scherkräften gemahlen und dispergiert werden, zeigen eine deutliche Größenreduzierung und gleichmäßige Verteilung. Das obige Diagramm zeigt die zunehmende Verkleinerung bei steigender Ultraschallenergie.

Bei der Herstellung von Farben müssen die Komponenten wie Pigmente, Bindemittel/Filmbildner, Verdünnungsmittel/Lösungsmittel, Harze, Füllstoffe und Additive zu einer homogenen Formulierung zusammengemischt werden. Pigmente sind die entscheidende Komponente, die der Farbe ihre Farbe verleiht. Das wichtigste Weißpigment ist TiO2, das auf eine optimale Teilchengröße zwischen 0,2 und 0,3 Mikron Durchmesser gemahlen werden muss, um den gewünschten Weißgrad, die Helligkeit, die Deckkraft und einen sehr hohen Brechungsindex zu erreichen. Die Ultraschall-Scherkräfte sorgen für eine sehr effektive und energieeffiziente Deagglomeration und Dispersion der TiO2-Partikel (siehe Abbildung unten).

TEM der mit Ultraschall dispergierten TiO2-Nanopartikelsuspension mit unterschiedlichen Feststoffkonzentrationen. Die Beschallung erfolgte mit dem Ultraschallgerät UIP1000hdT
Links: Ultraschallenergieeintrag 1,8 × 10⁵ J/L – Rechts: Ultraschallenergieeintrag 5,4 × 10⁵ J/L
(Studie und Bilder: ©Fasaki et al., 2012)

 
Das Mahlen und Dispergieren mit Ultraschall verbessert die Qualität der Farbe, indem es ihre Farbstärke, Dichte, Mahlfeinheit, Dispersion und Rheologie verbessert.

Ultraschall-Dispergieren & Vermahlen

Die Qualität von Farben und Lacken hängt von der homogenen Dispersion der Pigmente ab. Hielscher Ultrasonics liefert effektive Mahl- und Zerkleinerungsgeräte für die Lackdispergierung, insbesondere für Formulierungen mit hohen Pigmentfrachten. Die Wirkungsweise von Ultraschall-Dispergierern zum Mahlen, Zerkleinern, Desagglomerieren und Dispergieren beruht im Wesentlichen auf dem Scherprinzip, das durch Ultraschallkavitation erzeugt wird. Die für die Dissoziation der Partikel erforderlichen Kavitationsscherkräfte werden durch hohe Druckunterschiede, lokale Hot Spots und Flüssigkeitsstrahlen erzeugt, was zum Aufbrechen der Partikel durch Kollision zwischen den Partikeln führt.
Industrielle Ultraschall-Dispergierer wie der UIP16000hdT mit 16.000 Watt pro Ultraschallsonde sind in der Lage, große Volumenströme von Farben und Beschichtungen zu verarbeiten.

Sonifizierte Kreidefarbe auf dem Grindometer zeigt die perfekt gleichmäßige Deagglomeration und Partikelgrößenverteilung der Pigmente

Dispersion von Nanopartikeln

Das Mahlen und Dispergieren mit Ultraschall ist oft die einzige Methode, um Nanopartikel effizient zu verarbeiten und fein dispergierte Primärpartikel zu erhalten. Eine kleine Primärpartikelgröße führt zu einer großen Oberfläche und korreliert mit der Ausprägung einzigartiger Partikeleigenschaften und Funktionalitäten. Gleichzeitig ist eine kleinere Partikelgröße mit einer hohen Oberflächenenergie verbunden, die eine stärkere Aggregation und Reaktivität zur Folge hat, so dass die intensiven Dispergierkräfte des Ultraschalls erforderlich sind, um die Nanopartikel homogen in der Formulierung zu dispergieren.
Außerdem können die Nanopartikel durch eine Ultraschall-Oberflächenbehandlung modifiziert werden, was zu einer verbesserten Dispergierbarkeit, Dispersionsstabilität, Hydrophobie und anderen Eigenschaften führt.
Forscher haben die Ultraschall-Dispersionsmethode für Nanopartikel als bevorzugte Lösung empfohlen, „weil das durch das Ultraschallverfahren dispergierte Material viel reiner ist als das durch Perlfräsen hergestellte.“ [Kim et al. 2010].

Die Ultraschall-Dispergiertechnik hat viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Mahltechniken wie Dreiwalzen-, Kugel- oder Medienmühlen.

Lesen Sie mehr über die Ultraschall-Homogenisierung und Dispergierung von Pigmenten und Farbstoffen für Masterbatches und Lackformulierungen!

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Literatur / Literaturhinweise