Υπέρηχοι στη διαμόρφωση συνθέσεων επιστρώσεων

Διάφορα συστατικά, όπως χρωστικές, πληρωτικά υλικά, χημικά πρόσθετα, παράγοντες δικτύωσης και τροποποιητές ρεολογίας, χρησιμοποιούνται στις συνθέσεις επιστρώσεων και χρωμάτων. Οι υπέρηχοι αποτελούν αποτελεσματικό μέσο για τη διασπορά και τη γαλακτωματοποίηση, την αποσυσσωμάτωση και την άλεση τέτοιων συστατικών στις επιστρώσεις.

Οι υπέρηχοι χρησιμοποιούνται στη διαμόρφωση συνθέσεων επιστρώσεων για:

• γαλακτωματοποίηση πολυμερών σε υδατικά συστήματα
• διασπορά και λεπτή άλεση χρωστικών
• μείωση του μεγέθους νανοϋλικών σε επιστρώσεις υψηλών επιδόσεων

Οι επιστρώσεις χωρίζονται σε δύο ευρείες κατηγορίες: ρητίνες και επιστρώσεις υδατικής βάσης και βάσης διαλύτη. Κάθε τύπος παρουσιάζει τις δικές του προκλήσεις. Οι κατευθύνσεις που ζητούν μείωση των πτητικών οργανικών ενώσεων (VOC) και οι υψηλές τιμές των διαλυτών ενισχύουν την ανάπτυξη τεχνολογιών επιστρώσεων με ρητίνες υδατικής βάσης. Η χρήση κατεργασίας με υπερήχους μπορεί να βελτιώσει την απόδοση τέτοιων φιλικών προς το περιβάλλον συστημάτων.

Βελτιωμένη διαμόρφωση συνθέσεων επιστρώσεων χάρη στην κατεργασία με υπερήχους

Οι υπέρηχοι μπορούν να βοηθήσουν όσους αναπτύσσουν συνθέσεις αρχιτεκτονικών επιστρώσεων, βιομηχανικών επιστρώσεων, επιστρώσεων αυτοκινήτων και ξύλου να βελτιώσουν τα χαρακτηριστικά των επιστρώσεων, όπως τη χρωστική ισχύ, την αντοχή στις γρατσουνιές, στη ρηγμάτωση και στην υπεριώδη ακτινοβολία ή την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ορισμένα από αυτά τα χαρακτηριστικά των επιστρώσεων επιτυγχάνονται με την ενσωμάτωση υλικών νανομετρικού μεγέθους, π.χ. οξειδίων μετάλλων (TiO₂, διοξείδιο του πυριτίου, διοξείδιο του δημητρίου, ZnO, …).

Οι υπέρηχοι βοηθούν επίσης στην αποαφροποίηση (παγιδευμένες φυσαλίδες) και στην απαέρωση (διαλυμένο αέριο) προϊόντων υψηλού ιξώδους. Διαβάστε περισσότερα για την απομάκρυνση αέρα και την απαέρωση υγρών με υπερήχους!

Καθώς η τεχνολογία διασποράς με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εργαστηριακή κλίμακα, σε επιτραπέζια συστήματα και σε επίπεδο βιομηχανικής παραγωγής, επιτρέποντας ρυθμούς επεξεργασίας άνω των 10 tons/hour, εφαρμόζεται στο στάδιο της έρευνας και ανάπτυξης και στην εμπορική παραγωγή. Τα αποτελέσματα της διεργασίας μπορούν να μεταφερθούν εύκολα και γραμμικά σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher έχουν πολύ υψηλή ενεργειακή απόδοση. Οι συσκευές μετατρέπουν περίπου το 80 έως 90% της ηλεκτρικής ισχύος εισόδου σε μηχανική δράση μέσα στο υγρό. Αυτό οδηγεί σε σημαντικά χαμηλότερο κόστος επεξεργασίας.

Ακολουθώντας τους παρακάτω συνδέσμους, μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με τη χρήση υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την

• γαλακτωματοποίηση πολυμερών σε υδατικά συστήματα,
• τη διασπορά και τη λεπτή άλεση χρωστικών,
• και τη μείωση του μεγέθους νανοϋλικών.

Πολυμερισμός γαλακτώματος με κατεργασία με υπερήχους

Οι παραδοσιακές συνθέσεις επιστρώσεων χρησιμοποιούν βασική χημεία πολυμερών. Η μετάβαση στην τεχνολογία επιστρώσεων υδατικής βάσης επηρεάζει την επιλογή των πρώτων υλών, τις ιδιότητες και τις μεθοδολογίες διαμόρφωσης των συνθέσεων.

Στον συμβατικό πολυμερισμό γαλακτώματος, π.χ. για επιστρώσεις υδατικής βάσης, τα σωματίδια σχηματίζονται από το κέντρο προς την επιφάνειά τους. Κινητικοί παράγοντες επηρεάζουν την ομοιογένεια και τη μορφολογία των σωματιδίων.

Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί με δύο τρόπους για την παραγωγή γαλακτωμάτων πολυμερών.

• Από πάνω προς τα κάτω: Γαλακτωματοποίηση/διασπορά μεγαλύτερων σωματιδίων πολυμερούς για την παραγωγή μικρότερων σωματιδίων μέσω μείωσης του μεγέθους
• Από κάτω προς τα πάνω: Χρήση υπερήχων πριν από ή κατά τη διάρκεια του πολυμερισμού των σωματιδίων

 

Σε αυτό το βίντεο παρουσιάζουμε ένα σύστημα υπερήχων 2 κιλοβάτ για λειτουργία εντός γραμμής, σε ερμάριο με δυνατότητα έκπλυσης με αέριο. Η Hielscher προμηθεύει εξοπλισμό υπερήχων σε όλους σχεδόν τους βιομηχανικούς κλάδους, όπως τη χημική βιομηχανία, τη φαρμακοβιομηχανία, τη βιομηχανία καλλυντικών και τις πετροχημικές διεργασίες, καθώς και για διεργασίες εκχύλισης με διαλύτες. Αυτό το ερμάριο από ανοξείδωτο χάλυβα, με δυνατότητα έκπλυσης με αέριο, έχει σχεδιαστεί για λειτουργία σε επικίνδυνες περιοχές. Για τον σκοπό αυτό, ο πελάτης μπορεί να εκπλύνει το στεγανό ερμάριο με άζωτο ή νωπό αέρα, ώστε να αποτρέπεται η είσοδος εύφλεκτων αερίων ή ατμών στο εσωτερικό του.

 

Νανοσωματιδιακά πολυμερή σε μινιγαλακτώματα

Ο πολυμερισμός σωματιδίων σε μινιγαλακτώματα επιτρέπει την παραγωγή διεσπαρμένων πολυμερικών σωματιδίων με καλό έλεγχο του μεγέθους τους. Η σύνθεση πολυμερικών νανοσωματιδίων σε μινιγαλακτώματα (γνωστά και ως νανοαντιδραστήρες), όπως παρουσιάζεται από την K. Landfester (2001), αποτελεί εξαιρετική μέθοδο για τον σχηματισμό πολυμερικών νανοσωματιδίων. Η προσέγγιση αυτή χρησιμοποιεί τον μεγάλο αριθμό μικρών νανοδιαμερισμάτων (διεσπαρμένη φάση) ενός γαλακτώματος ως νανοαντιδραστήρες. Σε αυτούς, τα σωματίδια συντίθενται με εξαιρετικά υψηλό βαθμό παραλληλισμού μέσα στα επιμέρους, περιορισμένα σταγονίδια. Στην εργασία της, η Landfester (2001) παρουσιάζει τον πολυμερισμό σε νανοαντιδραστήρες με υψηλό βαθμό τελειότητας για την παραγωγή σωματιδίων με πολύ υψηλό βαθμό ομοιότητας και σχεδόν ομοιόμορφο μέγεθος. Η παραπάνω εικόνα δείχνει σωματίδια που προκύπτουν από πολυπροσθήκη υποβοηθούμενη με υπερήχους σε μινιγαλακτώματα.

Τα μικρά σταγονίδια που δημιουργούνται με την εφαρμογή υψηλής διάτμησης (κατεργασία με υπερήχους) και σταθεροποιούνται με σταθεροποιητικούς παράγοντες (γαλακτωματοποιητές) μπορούν να στερεοποιηθούν με επακόλουθο πολυμερισμό ή με μείωση της θερμοκρασίας στην περίπτωση υλικών που τήκονται σε χαμηλή θερμοκρασία. Καθώς η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να παράγει πολύ μικρά σταγονίδια σχεδόν ομοιόμορφου μεγέθους τόσο σε διεργασίες κατά παρτίδες όσο και στην παραγωγική διαδικασία, επιτρέπει τον καλό έλεγχο του τελικού μεγέθους των σωματιδίων. Για τον πολυμερισμό νανοσωματιδίων, τα υδρόφιλα μονομερή μπορούν να γαλακτωματοποιηθούν σε οργανική φάση και τα υδρόφοβα μονομερή σε νερό.

Όταν μειώνεται το μέγεθος των σωματιδίων, αυξάνεται ταυτόχρονα η συνολική επιφάνειά τους. Η εικόνα στα αριστερά δείχνει τη συσχέτιση μεταξύ του μεγέθους των σωματιδίων και της επιφάνειάς τους στην περίπτωση σφαιρικών σωματιδίων. Επομένως, η ποσότητα επιφανειοδραστικής ουσίας που απαιτείται για τη σταθεροποίηση του γαλακτώματος αυξάνεται σχεδόν γραμμικά με τη συνολική επιφάνεια των σωματιδίων. Ο τύπος και η ποσότητα της επιφανειοδραστικής ουσίας επηρεάζουν το μέγεθος των σταγονιδίων. Με τη χρήση ανιονικών ή κατιονικών επιφανειοδραστικών ουσιών μπορούν να ληφθούν σταγονίδια μεγέθους 30 έως 200nm.

Χρωστικές σε επιστρώσεις

Οι οργανικές και ανόργανες χρωστικές αποτελούν σημαντικό συστατικό των συνθέσεων επιστρώσεων. Για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης των χρωστικών απαιτείται καλός έλεγχος του μεγέθους των σωματιδίων. Κατά την προσθήκη χρωστικής σε μορφή σκόνης σε υδατικά συστήματα, συστήματα με βάση διαλύτες ή εποξειδικά συστήματα, τα επιμέρους σωματίδια της χρωστικής τείνουν να σχηματίζουν μεγάλα συσσωματώματα. Για τη διάσπαση αυτών των συσσωματωμάτων και τη λειοτρίβηση των επιμέρους σωματιδίων της χρωστικής χρησιμοποιούνται συμβατικά μηχανισμοί υψηλής διάτμησης, όπως αναμικτήρες ρότορα–στάτορα ή αναδευόμενοι μύλοι σφαιριδίων. Η κατεργασία με υπερήχους αποτελεί εξαιρετικά αποτελεσματική εναλλακτική λύση για αυτό το στάδιο της παραγωγής επιστρώσεων.

Τα παρακάτω γραφήματα δείχνουν την επίδραση της κατεργασίας με υπερήχους στο μέγεθος μιας χρωστικής με μαργαριταρένια λάμψη. Οι υπέρηχοι αλέθουν τα επιμέρους σωματίδια της χρωστικής μέσω συγκρούσεων υψηλής ταχύτητας μεταξύ των σωματιδίων. Το κυριότερο πλεονέκτημα της κατεργασίας με υπερήχους είναι η έντονη επίδραση των δυνάμεων διάτμησης που προκαλούνται από τη σπηλαίωση, η οποία καθιστά περιττή τη χρήση μέσων άλεσης (π.χ. σφαιριδίων, περλών). Καθώς τα σωματίδια επιταχύνονται από εξαιρετικά γρήγορους πίδακες υγρού με ταχύτητες έως 1000km/hr, συγκρούονται βίαια και θρυμματίζονται σε μικρά κομμάτια. Η αποτριβή των σωματιδίων προσδίδει λεία επιφάνεια στα σωματίδια που έχουν αλεστεί με υπερήχους. Συνολικά, η άλεση και η διασπορά με υπερήχους οδηγούν σε κατανομή σωματιδίων μικρού και ομοιόμορφου μεγέθους.

 

Η άλεση και η διασπορά με υπερήχους συχνά υπερέχουν έναντι των αναμικτήρων υψηλής ταχύτητας και των μύλων με μέσα άλεσης, καθώς η κατεργασία με υπερήχους εξασφαλίζει πιο ομοιόμορφη επεξεργασία όλων των σωματιδίων. Γενικά, η κατεργασία με υπερήχους παράγει μικρότερα μεγέθη σωματιδίων και στενή κατανομή μεγέθους σωματιδίων (καμπύλες άλεσης χρωστικών). Αυτό βελτιώνει τη συνολική ποιότητα των διασπορών χρωστικών, καθώς τα μεγαλύτερα σωματίδια συνήθως επηρεάζουν αρνητικά τη δυνατότητα επεξεργασίας, τη στιλπνότητα, την αντοχή και την οπτική εμφάνιση.

Δεδομένου ότι η άλεση και η λειοτρίβηση των σωματιδίων βασίζονται στις συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων ως αποτέλεσμα της σπηλαίωσης που προκαλούν οι υπέρηχοι, οι αντιδραστήρες υπερήχων μπορούν να επεξεργάζονται αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις στερεών (π.χ. συμπυκνωμένα προμείγματα) και παράλληλα να επιτυγχάνουν ικανοποιητική μείωση μεγέθους. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει εικόνες της υγρής άλεσης του TiO2.

Το παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζει τις καμπύλες κατανομής μεγέθους σωματιδίων για την αποσυσσωμάτωση του διοξειδίου του τιτανίου Degussa σε μορφή ανατάση με κατεργασία με υπερήχους. Η στενή μορφή της καμπύλης μετά την κατεργασία με υπερήχους αποτελεί τυπικό χαρακτηριστικό της επεξεργασίας με υπερήχους.

Υλικά νανομετρικού μεγέθους σε επιστρώσεις υψηλών επιδόσεων

Η νανοτεχνολογία είναι μια αναδυόμενη τεχνολογία που εισέρχεται σε πολλούς βιομηχανικούς κλάδους. Τα νανοϋλικά και τα νανοσύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται σε συνθέσεις επιστρώσεων, π.χ. για την ενίσχυση της αντοχής στην αποτριβή και στις γρατζουνιές ή της σταθερότητας έναντι της υπεριώδους ακτινοβολίας. Η μεγαλύτερη πρόκληση για την εφαρμογή τους σε επιστρώσεις είναι η διατήρηση της διαφάνειας, της διαύγειας και της στιλπνότητας. Επομένως, τα νανοσωματίδια πρέπει να είναι πολύ μικρά, ώστε να αποφεύγεται η αλληλεπίδραση με το ορατό φάσμα του φωτός. Για πολλές εφαρμογές, το μέγεθος αυτό είναι σημαντικά μικρότερο από 100nm.

Η υγρή άλεση συστατικών υψηλών επιδόσεων έως τη νανομετρική κλίμακα καθίσταται κρίσιμο στάδιο στη διαμόρφωση συνθέσεων επιστρώσεων που σχεδιάζονται με νανοτεχνολογία. Όσα σωματίδια αλληλεπιδρούν με το ορατό φως προκαλούν θάμβωση και απώλεια διαφάνειας. Επομένως, απαιτούνται πολύ στενές κατανομές μεγέθους. Η κατεργασία με υπερήχους είναι ένα πολύ αποτελεσματικό μέσο για τη λεπτή άλεση στερεών. Η υπερηχητική / ακουστική σπηλαίωση στα υγρά προκαλεί συγκρούσεις υψηλής ταχύτητας μεταξύ σωματιδίων. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς μύλους σφαιριδίων και τους μύλους με κροκάλες, τα ίδια τα σωματίδια κατατεμαχίζουν το ένα το άλλο, καθιστώντας περιττά τα μέσα άλεσης.

Εταιρείες όπως η Panadur (Γερμανία) χρησιμοποιούν συσκευές υπερήχων Hielscher για τη διασπορά και την αποσυσσωμάτωση νανοϋλικών σε επιστρώσεις που εφαρμόζονται εντός καλουπιού. Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με τη διασπορά με υπερήχους επιστρώσεων που εφαρμόζονται εντός καλουπιού!

Για την κατεργασία εύφλεκτων υγρών ή διαλυτών με υπερήχους σε επικίνδυνα περιβάλλοντα διατίθενται επεξεργαστές πιστοποιημένοι κατά ATEX. Μάθετε περισσότερα για την πιστοποιημένη κατά Atex συσκευή υπερήχων UIP1000-Exd!