Ultraschall fürs Dispergieren und Mahlen: Farben & Pigmente

Leistungsultraschall ist bekannt für seine intensive und präzise steuerbare Mahl- und Dispergierwirkung. Industrie-Ultraschallgeräte liefern eine hochgradig gleichmäßige Partikelgrößenverteilung im Mikron- und Nanobereich. Industrie-Ultraschallgeräte verarbeiten problemlos große Volumenströme mit hoher Viskosität und erfüllen eine homogene Benetzung, Dispergierung, Desagglomeration und Vermahlung.

Farbproduktion mit Ultraschall

Verbessern Sie Ihre Farben, Farben und Lacke mittels Ultraschall:

  • Formulierung: Egal ob Sie Farbpasten mit hoher Viskosität, hoher Partikelladung in einer wässrigen oder lösemittelhaltigen Suspension behandeln wollen – mit Hielscher industriellen Ultraschallanlagen können Sie jede Ihrer Formulierungen verarbeiten.
  • Mikron- und Nano-Größe: Der ultraschall-generierte Kavitations- Kraft und deren Scherung reduziert Partikel auf sehr kleine Durchmesser und sorgt für eine einheitliche Dispersion.
  • Optische Eigenschaften: Um die gewünschten optischen Eigenschaften zu erhalten, muss die Partikelgröße reguliert werden. In der Regel korreliert die Deckkraft einer Farbe mit Partikelgröße ihrer Pigmente: Je feiner die Partikelgröße, desto höher die Deckkraft. So wird z.B. TiO2 auf eine Partikelgröße von 0,20 bis 0,3 Mikron zerkleinert, was in etwa einer halben Wellenlänge des Lichts entspricht. Mittels Ultraschall können Sie die TiO2 Pigmente auf optimale Partikelgröße zerkleinern, so dass eine optimale Deckkraft erreicht wird.
  • High Performance Partikel: Mit einer kleineren Korngröße erreichen Sie größere Farbsättigung, Farbstärke, Konsistenz und Stabilität. Die intensiven, aber dennoch präzise kontrollierbaren Ultraschallkräfte ermöglichen die Herstellung von modifizierten und funktionalisierten Nanopartikeln, wie z.B. beschichteten Partikeln, SWNTsMWCNTs und Core-Shell-Partikeln. Solche Partikel weisen einzigartige Besonderheiten auf und ermöglichen es, Farbe- oder Beschichtungsformulierungen mit einer völlig neuen Qualität und Funktionalität herzustellen (z.B. UV-Beständigkeit, Kratzfestigkeit, Lackstärke, Haftfähigkeit, hohe Wärmebeständigkeit, Infrarot- und Solarreflexion).
  • Modifizierte Partikel: Mit modifizierten Pigmenten können Suspensionen mit hoher Partikelkonzentration hergestellt werden, die trotzdem eine relativ geringe Viskosität aufweisen (z.B. 2,5cP bei 10 % Feststoffkonzentration). Zudem lässt sich eine hervorragende Stabilität der Suspension und eine hohe Reinheit
Pigmentpasten werden durch Ultraschallkavitation und hohe Scherkräfte gemahlen und dispergiert

Das Ultraschallverfahren ist eine leistungsfähige Methode zum Mahlen und Dispergieren von Pigmentpasten.

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Pigmentpasten, die mit Hilfe von Ultraschallkavitation und hohen Scherkräften gemahlen und dispergiert werden, zeigen eine deutliche Zerkleinerung und gleichmäßige Verteilung.

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.


Verwenden Sie Ultraschall für

  • die Formulierungen des Endproduktes
  • das Einmischen von Pigmenten in Masterbatches
  • die Veredelung der Partikel nach einem konventionellen Mahlverfahren

Für die Herstellung von Farben werden die Komponenten (z.B. Pigmente, Bindemittel/Filmbildner, Lösungsmittel, Harze, Füllstoffe und Additive) zu einer homogenen Formulierung vermischt. Die Pigmente sind die entscheidende Komponente, welche dem Farbprodukt seine Farbkraft verleiht. Das wichtigste Weißpigment ist TiO2, welches auf eine optimale Partikelgröße zwischen 0,2 und 0,3 Mikron Durchmesser zerkleinert werden muss, um den gewünschten Weißgrad, Helligkeit, Deckkraft und eine sehr hohe Lichtbrechung zu erreichen. Die Ultraschall-Scherkräfte stellen eine sehr effektive Methode der Desagglomeration und Dispersion von TiO2 Partikeln dar (siehe Tabelle unten).
Das ultraschall-gestützte Mahlen und Dispergieren beeinflusst die Farbqualitätund verbessert die Farbstärke, Dichte, Dispersion und Rheologie.

Ultraschall-Dispergieren & Vermahlen

Die Qualität von Farben und Lacken beruht auf der einheitlichen Dispersion der Pigmente. Hielscher Ultrasonics liefert leistungsstarke Ultraschallsysteme für das Vermahlen und Feinmahlen von Farbdispersionen, auch für Formulierungen mit hohen Partikelkonzentrationen. Der Mechanismus der Ultraschall-Dispergierer für das Vermahlen & Desagglomerieren und Dispergieren basiert auf den hochintensiven Scherkräften der Ultraschallkavitation. Die ultraschall-generierte Kavitations- Kraft erzeugt hohe Druckdifferenzen, lokale Hot Spots und Flüssigkeitsstrahlen, durch welche eine interpartikuläre Kollision erreicht wird und die Partikel dich gegenseitig zerschmettern.
Industrielle Ultraschalldispergierer wie z.B. der UIP16000 haben Kapazität, um hohe Flüssigkeitsströme mit Farb- und Lackformulierungen zu verarbeiten.

In diesem Video zeigen wir Ihnen ein 2-Kilowatt-Ultraschallsystem für den Inline-Betrieb in einem mit Stickstoff-spülbaren Schrank. Hielscher liefert Ultraschallgeräte für fast alle Branchen, wie z.B. für die chemische Industrie, Pharmazie, Kosmetik, petrochemische Prozesse sowie für lösungsmittelbasierte Extraktionsverfahren. Dieser spülbare Edelstahlschrank ist für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen ausgelegt. Zu diesem Zweck kann der abgedichtete Schrank vom Kunden mit Stickstoff oder Frischluft gespült werden, um zu verhindern, dass brennbare Gase oder Dämpfe in den Schrank gelangen.

2x 1000-Watt-Ultraschallgeräte in einem mit Stickstoff-spülbaren Schrank zur Installation in explosionsgefährdeten Bereichen


Mach Ultraschall zum Fräsen, Schleifen und Dispergieren von Pigmenten, Farben und Farben. (Klicken um zu vergrößern!)

Ultraschall-Verarbeitung: 7x UIP1000hdT

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Das Video demonstriert die Ultraschalldispersion der roten Farbe unter Verwendung des UP400St mit einem S24d 22mm Prüfkopf.

Ultraschall-Dispersion von roter Farbe mit dem UP400St

Dispersion von Nanopartikeln

Das ultraschall-gestützte Feinmahlen und Dispergieren ist oft die einzige Method, um Nanopartikel und Primärpartikel effizient zu verarbeiten. Durch die sehr kleine Primärpartikelgröße erhält das pigment eine große Partikeloberfläche. Die Größe und Ausprägung der Partikeloberfläche verleiht dem Partikel einzigartige Merkmale und Funktionalitäten. Gleichzeitig ist eine kleinere Korngröße mit einer hohen Oberflächenenergie verbunden, welche eine verstärkte Aggregation und Reaktivität mit sich bringt, so dass eine intensive Ultraschall- Dispergieren erforderlich ist, um die Nanopartikel homogen in die Formulierung einzumischen.
Darüber hinaus können mittel einer ultraschall-gestützten Oberflächenbehandlung die Nanopartikel modifiziert werden, wodurch eine verbesserte Dispergierbarkeit, Dispersionsstabilität, Hydrophobie und weitere positive Eigenschaften erreicht werden können.
Forscher empfehlen die ultraschall-gestützte Dispergierung für Nanopartikel als bevorzugte Lösung, „da das Material, welches mittels der Ultraschallmethode dispergiert wurde, viel reiner ist als das Material, das mit einer Perumühle hergestellt wurde“[Kim et al. 2010].

Ultraschallgerät UP200St (200 W) zur Dispergierung von Ruß in Wasser unter Verwendung von Tween80 (1 Gew.-%) als Tensid.

Ultraschalldispergierung von Carbon Black mit dem Ultraschallgerät UP200St

Die Ultraschall-Dispersionstechnik hat viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Frästechnologien wie drei-Rolle, Ball oder Medienmühlen. (Klicken um zu vergrößern!)

Ultraschall-gestütztes Dispergieren hat große Vorteile gegenüber konventionellen Mahltechniken

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Die Hielscher SonoStation macht die Beschallung von mittelgroßen Chargen mit einem Durchflusszellenreaktor einfach.
Die kompakte SonoStation kombiniert einen 38-Liter-Rührtank mit einer einstellbaren Exzenterschneckenpumpe, die bis zu 3 Liter pro Minute in einen oder zwei Ultraschall-Durchflusszellenreaktoren fördern kann.

Ultraschall-Mischstation - SonoStation mit 2 x 2000-Watt-Homogenisatoren



Literatur / Literaturhinweise

  • 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.

Wissenswertes

Ultraschall-Homogenisatoren werden oft als Sonicator, Ultraschall-Lysegerät, Ultraschall-Disruptor, Ultraschall-Labormühle, Sono-Ruptor, Sonifier, Dismembrator, Zell-Disruptor, Ultraschall-Dispergierer oder Ultraschallemulgiergerät bezeichnet. Die unterschiedlichen Bezeichnungen ergeben sich aus den zahlreichen unterschiedlichen Anwendungen, für die Ultraschallgeräte eingesetzt werden.

Ultraschall-Dispersion von UV Black Ink: Ultraschall führt zu einer homogenen feinen Dispersion (Anklicken zum Vergrößern!)

UV-Schwarzpigmente: Vor und nach der Beschallung