Ultraschall zum Dispergieren und Mahlen: Farben und Pigmente

Leistungsultraschall ist für seine intensiven und präzise steuerbaren Mahl- und Dispergierwirkungen bekannt. Dadurch eignen sich Ultraschallhomogenisatoren ideal für die Herstellung von Pigmentpasten und Farbformulierungen. Industrielle Ultraschallgeräte ermöglichen eine äußerst gleichmäßige Partikelgrößenverteilung im Mikro- und Nanometerbereich. Verarbeiten Sie große Volumenströme hochviskoser Materialien mit Ultraschallgeräten von Hielscher, um eine homogene Benetzung, Dispergierung, Deagglomeration und Vermahlung zu erreichen!

Farbherstellung mit Ultraschall

Verbessern Sie Ihre Farben, Lacke und Beschichtungen durch Ultraschallbehandlung:

• Formulierung: Ob hohe Viskositäten, hohe Partikelkonzentrationen, wasser- oder lösungsmittelbasiert – mit industriellen Inline-Ultraschallgeräten von Hielscher können Sie jede Formulierung verarbeiten.
• Mikro- und Nanometergrößen: Die durch akustische Kavitation erzeugten hohen Scherkräfte zerkleinern Partikel auf kleinste Durchmesser und sorgen für eine gleichmäßige Dispersion. Durch die Anpassung der Ultraschallparameter an die Anforderungen Ihrer Partikel und Formulierungen lassen sich Pigmente in Nanometergröße zuverlässig herstellen.
• Optische Eigenschaften: Um die richtigen optischen Eigenschaften zu erzielen, muss die Partikelgröße der Pigmente kontrolliert werden. In der Regel korreliert die Deckkraft mit der Partikelgröße: Je feiner die Partikel, desto höher die Deckkraft. Beispielsweise wird TiO2 gezielt auf eine Partikelgröße von 0,20 bis 0,3 Mikrometer aufbereitet, was ungefähr der halben Lichtwellenlänge entspricht. Die Ultraschallbehandlung verkleinert die TiO2-Pigmente auf ihre optimale Größe, sodass ein maximales Deckvermögen erzielt wird.
• Hochleistungspartikel: Kleinere Partikelgrößen führen zu höherer Farbsättigung, Farbkonstanz und Stabilität. Die intensiven, zugleich präzise steuerbaren Ultraschallkräfte ermöglichen die Herstellung modifizierter und funktionalisierter Nanopartikel, etwa beschichteter Partikel, SWNTs, MWCNTs und Kern-Schale-Partikel. Solche Partikel weisen einzigartige Eigenschaften auf und heben Farb- oder Beschichtungsformulierungen auf ein neues Niveau hinsichtlich Qualität und Funktionalität (z. B. UV-Beständigkeit, Kratzfestigkeit, Festigkeit, Haftvermögen, hohe Hitzebeständigkeit sowie Infrarot- und Sonnenlichtreflexion).
• Modifizierte Partikel: Oberflächenmodifizierte Pigmente weisen bei hohen Pigmentkonzentrationen eine sehr niedrige Viskosität (2,5cP bei 10% Feststoffgehalt), eine hervorragende Suspensionsstabilität und eine hohe Reinheit auf. Die ultraschallgestützte Partikelfunktionalisierung erleichtert die Synthese von Hochleistungspigmenten mit besonderen Eigenschaften.

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

Für die Herstellung von Farben müssen Komponenten wie Pigmente, Bindemittel/Filmbildner, Verdünnungsmittel/Lösungsmittel, Harze, Füllstoffe und Additive zu einer homogenen Formulierung vermischt werden. Pigmente sind die entscheidende Komponente, die der Farbe ihren Farbton verleiht. Das wichtigste Weißpigment ist TiO2, das auf einen optimalen Partikeldurchmesser zwischen 0,2 und 0,3 Mikrometern gemahlen werden muss, um den gewünschten Weißgrad, die gewünschte Helligkeit und Deckkraft sowie einen sehr hohen Brechungsindex zu erzielen. Die Ultraschallscherkräfte ermöglichen eine sehr wirksame und energieeffiziente Deagglomeration und Dispergierung von TiO2-Partikeln (siehe Abbildung unten).

TEM-Aufnahmen einer ultraschalldispergierten TiO2-Nanopartikelsuspension mit unterschiedlichen Feststoffkonzentrationen. Die Ultraschallbehandlung erfolgte mit dem Ultraschallgerät UIP1000hdT
Links: Ultraschallenergieeintrag 1,8 × 10⁵ J/L – Rechts: Ultraschallenergieeintrag 5,4 × 10⁵ J/L
(Studie und Abbildungen: ©Fasaki et al., 2012)

 
Das Mahlen und Dispergieren mit Ultraschall steigert die Farbqualität durch die Verbesserung von Farbstärke, Dichte, Mahlfeinheit, Dispersion und Rheologie.

Bedingungen für das Dispergieren und Mahlen mit Ultraschall

Die Qualität von Farben und Beschichtungen hängt von der homogenen Dispergierung der Pigmente ab. Hielscher Ultrasonics liefert effektive Mahl- und Zerkleinerungsgeräte für die Dispergierung von Farben, insbesondere für Formulierungen mit hohen Pigmentkonzentrationen. Der Wirkmechanismus von Ultraschalldispergierern bei Mahl-, Zerkleinerungs-, Deagglomerations- und Dispergieranwendungen beruht hauptsächlich auf der durch Ultraschallkavitation erzeugten Scherwirkung. Die zur Trennung der Partikel erforderlichen kavitationsbedingten Scherkräfte entstehen durch hohe Druckunterschiede, lokale Temperaturspitzen und Flüssigkeitsstrahlen, wodurch die Partikel durch Kollisionen untereinander zerkleinert werden.
Industrielle Ultraschalldispergierer wie der UIP16000hdT mit 16.000 Watt pro Sonotrode können große Volumenströme von Farben und Beschichtungen verarbeiten.

Ultraschallbehandelte Kreidefarbe auf dem Grindometer zeigt die vollkommen gleichmäßige Deagglomeration und Partikelgrößenverteilung der Pigmente

Dispergierung von Nanopartikeln

Das Mahlen und Dispergieren mit Ultraschall ist häufig die einzige Methode, um Nanopartikel effizient zu verarbeiten und einzeln dispergierte Primärpartikel zu erhalten. Eine geringe 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 begünstigt, sodass intensive Ultraschalldispergierkräfte erforderlich sind, um die Nanopartikel homogen in der Formulierung zu dispergieren.
Darüber hinaus können Nanopartikel durch eine Ultraschalloberflächenbehandlung modifiziert werden, wodurch sich Dispergierbarkeit, Dispersionsstabilität, Hydrophobie und weitere Eigenschaften verbessern.
Forschende haben die Ultraschalldispergierung als bevorzugte Methode für Nanopartikel empfohlen, „weil das mit der Ultraschallmethode dispergierte Material wesentlich reiner ist als das durch Vermahlung in einer Perlmühle hergestellte.“ [Kim et al. 2010].

Die Ultraschalldispergierung bietet viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Mahltechnologien wie Dreiwalzen-, Kugel- oder Mahlkörpermühlen.

Erfahren Sie mehr über die Ultraschallhomogenisierung und -dispergierung von Pigmenten und Farbmitteln für Masterbatches und Farbformulierungen!

Literatur / Quellen

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.