Ultraschall fürs Dispergieren und Mahlen: Farben & Pigmente

Leistungsultraschall ist bekannt für seine intensiven und präzise steuerbaren Mahl- und Dispergiereffekte. Damit eignen sich Ultraschall-Homogenisatoren ideal für die Herstellung von Pigmentpasten und Farbformulierungen. Industrielle Ultraschallgeräte sorgen für eine sehr gleichmäßige Partikelgrößenverteilung im Mikrometer- und Nanobereich. Verarbeiten Sie große Volumenströme mit hohen Viskositäten mit Hielscher Ultraschallgeräten, um ein homogenes Benetzen, Dispergieren, Desagglomerieren und Mahlen zu erreichen!

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 hohen Scherkräfte, die durch akustische Kavitation erzeugt werden, reduzieren die Partikel auf kleinste 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 erhalten, muss die Partikelgröße der Pigmente kontrolliert werden. In der Regel korreliert die Deckkraft mit der Partikelgröße: Je feiner die Partikelgröße, desto mehr Deckkraft. Zum Beispiel wird TiO2 spezifisch auf eine Partikelgröße von 0,20 bis 0,3 Mikrometer verarbeitet, was ungefähr der Hälfte der Wellenlänge des Lichts entspricht. Durch Ultraschall werden die TiO2-Pigmente auf ihre optimale Größe reduziert, so dass eine endgültige Deckkraft erreicht wird.
• High Performance Partikel: Kleinere Partikelgrößen führen zu einer höheren Farbsättigung, Farbkonsistenz und Stabilität. Die intensiven, aber dennoch präzise steuerbaren Ultraschallkräfte ermöglichen die Herstellung modifizierter und funktionalisierter Nanopartikel, wie z. B. beschichtete Partikel, SWNTs, MWCNTs und Core-Shell-Partikel. Solche Partikel weisen einzigartige Eigenschaften auf und heben Lack- oder Beschichtungsformulierungen auf ein neues Niveau an Qualität und Funktionalität (z. B. UV-Beständigkeit, Kratzfestigkeit, Festigkeit, Haftfähigkeit, hohe Hitzebeständigkeit, Infrarot- und Sonnenreflexion).
• Modifizierte Partikel: Oberflächenmodifizierte Pigmente haben eine sehr niedrige Viskosität bei hohen Pigmentbeladungen (2,5 cP bei 10 % Feststoff), eine hervorragende Suspensionsstabilität und eine hohe Reinheit. Die ultraschallgestützte Partikelfunktionalisierung macht es einfach, Hochleistungspigmente mit besonderen Eigenschaften zu synthetisieren.

Pigmentpasten werden mittels Ultraschallkavitation gemahlen und dispergiert, und hohe Scherkräfte zeigen eine deutliche Zerkleinerung und gleichmäßige Verteilung. Das obige Diagramm zeigt die zunehmende Zerkleinerung bei steigender Ultraschallenergie.

Für die Herstellung von Lacken müssen die Komponenten wie Pigmente, Bindemittel/ Filmbildner, Verdünnungsmittel/ Lösungsmittel, Harze, Füllstoffe und Additive zu einer homogenen Rezeptur vermischt werden. Pigmente sind die bestimmende Komponente, die der Farbe ihre Farbe verleiht. Das wichtigste Weißpigment ist TiO2, das auf eine optimale Partikelgröße zwischen 0,2 und 0,3 Mikrometern Durchmesser gemahlen werden muss, um den gewünschten Weißgrad, die Helligkeit, die Deckkraft und einen sehr hohen Brechungsindex zu erzielen. Die Ultraschall-Scherkräfte sorgen für eine sehr effektive und energieeffektive Desagglomeration und Dispergierung von TiO2-Partikeln (siehe Bild unten).

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

 
Das Ultraschallmahlen und -dispergieren verbessert die Lackqualität, indem es die Farbstärke, Dichte, Mahlfeinheit, Dispersion und Rheologie verbessert.

Ultraschall-Dispergieren & Vermahlen

Die Qualität von Farben und Lacken beruht auf der homogenen Dispersion der Pigmente. Hielscher Ultrasonics liefert effektive Mahl- und Schleifanlagen für die Farbdispergierung, insbesondere für Formulierungen mit hohen Pigmentbelastungen. Der Mechanismus von Ultraschall-Dispergierern für Mahl-, Mahl-, Desagglomerations- und Dispergieranwendungen basiert hauptsächlich auf dem Scherprinzip, das durch Ultraschallkavitation erzeugt wird. Die für die Dissoziation der Partikel notwendigen Kavitationsscherkräfte werden durch hohe Druckdifferenzen, 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 Lacken zu verarbeiten.

Beschallte Kreidefarbe auf dem Grindometer demonstriert die perfekt gleichmäßige Desagglomeration und Partikelgrößenverteilung der Pigmente

Dispersion von Nanopartikeln

Das Mahlen und Dispergieren mit Ultraschall ist oft die einzige Methode, um Nanopartikel effizient zu verarbeiten, um sinlge-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 für eine stärkere Aggregation und Reaktivität verbunden, so dass die intensiven Ultraschall-Dispergierkräfte erforderlich sind, um die Nanopartikel homogen in die Formulierung zu dispergieren.
Darüber hinaus können die Nanopartikel durch eine Ultraschall-Oberflächenbehandlung modifiziert werden, was zu einer verbesserten Dispergierbarkeit, Dispersionsstabilität, Hydrophobie und anderen Eigenschaften führt.
Forscher haben das Ultraschall-Dispergierverfahren für Nanopartikel als bevorzugte Lösung empfohlen. „Denn das Material, das mit dem Ultraschallverfahren dispergiert wird, ist viel reiner als das durch Perlenfräsen 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