Συνθέσεις συγκολλητικών υψηλών επιδόσεων – Βελτίωση με διασπορά μέσω υπερήχων

Τα συγκολλητικά υψηλών επιδόσεων αποτελούνται από εποξειδικά συστήματα, συστήματα σιλικόνης, πολυουρεθάνης, πολυσουλφιδίων ή ακρυλικά συστήματα που περιέχουν διάφορα (νανο-)πληρωτικά υλικά και πρόσθετα, τα οποία προσδίδουν στο συγκολλητικό ειδικά χαρακτηριστικά απόδοσης, όπως αντοχή συγκόλλησης, χαμηλό βάρος, ανθεκτικότητα, θερμική αντοχή και βιωσιμότητα. Για την παρασκευή συγκολλητικών υψηλών επιδόσεων απαιτείται αποτελεσματική και αξιόπιστη ανάμειξη. Η διασπορά και η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους χρησιμοποιούνται για τον ομοιόμορφο συνδυασμό διαφόρων συστατικών σε ομοιογενή μείγματα συγκολλητικών. Η κατεργασία με υπερήχους εντός της γραμμής παραγωγής αναμειγνύει αξιόπιστα και αποτελεσματικά ακόμη και υλικά υψηλού ιξώδους και συνθέσεις με υψηλή περιεκτικότητα σε νανοπληρωτικά υλικά, παράγοντας συγκολλητικά ανώτερης ποιότητας.

Δυνάμεις υψηλής διάτμησης μέσω υπερήχων για τη διασπορά συγκολλητικών υψηλών επιδόσεων

Τα συγκολλητικά υψηλών επιδόσεων προσφέρουν εξαιρετική αντοχή συγκόλλησης, ανθεκτικότητα και χαμηλό βάρος. Ανάλογα με την τελική εφαρμογή, πολυμερή, συμπολυμερή και πολλαπλά πρόσθετα συνδυάζονται σε συνθέσεις βάσει λεπτομερώς σχεδιασμένων συνταγών.

Τα εποξειδικά συστήματα και τα συστήματα σιλικόνης, πολυουρεθάνης και ακρυλικών για συγκολλητικά και κόλλες παράγονται από παρασκευαστές συνθέσεων, οι οποίοι τροποποιούν τη βάση του συγκολλητικού προσθέτοντας παράγοντες αύξησης της κολλητικότητας, ανόργανα πληρωτικά υλικά (τάλκη, διοξείδιο του πυριτίου, αλουμίνα κ.λπ.), παράγοντες αύξησης της ευκαμψίας, μειωτικά ιξώδους, χρωστικές, πηκτικά, επιταχυντές, ενισχυτικά πρόσφυσης κ.λπ. Οι τροποποιήσεις αυτές εξυπηρετούν διάφορους σκοπούς, όπως τη βελτίωση της απόδοσης ή/και της ευκολίας επεξεργασίας ή τη μείωση του κόστους. Οι διασπορείς υπερήχων υψηλής διάτμησης είναι ιδανικοί για την παρασκευή διαφορετικών εποξειδικών συστημάτων εντός της γραμμής παραγωγής και επιτρέπουν την ευέλικτη παραγωγή συγκολλητικών προσαρμοσμένων στις απαιτήσεις συγκεκριμένων εφαρμογών.

Αναμικτήρες υπερήχων υψηλής διάτμησης για απαιτητικές εφαρμογές διασποράς και γαλακτωματοποίησης

Οι επεξεργαστές υπερήχων υψηλών επιδόσεων λειτουργούν όπως οι αναμικτήρες υψηλής διάτμησης. Οι εξαιρετικά υψηλές δυνάμεις διάτμησης παράγονται από υπερηχητική / ακουστική σπηλαίωση και είναι ιδανικές για εφαρμογές γαλακτωματοποίησης, διασποράς, άλεσης, αποσυσσωμάτωσης και ομογενοποίησης, τόσο κατά παρτίδες όσο και εντός της γραμμής παραγωγής. Με τη χρήση διασπορέων υπερήχων εντός της γραμμής παραγωγής είναι εύκολη η επεξεργασία υλικών με χαμηλές έως υψηλές συγκεντρώσεις στερεών και τιμές ιξώδους.

Ανάμειξη νανοϋλικών σε συγκολλητικά με υπερήχους υψηλής διάτμησης

Νανοϋλικά όπως οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), τα μεταλλικά νανοσωματίδια, το νανοδιοξείδιο του πυριτίου, οι νανοάργιλοι, οι νανοΐνες και πολλά άλλα σωματίδια νανομετρικού μεγέθους χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πολυμερών ενισχυμένων με νανοϋλικά (νανοσύνθετων υλικών). Τα νανοσωματίδια είναι γνωστά για την ικανότητά τους να μεταβάλλουν τις μηχανικές ιδιότητες (π.χ. δυσκαμψία, ελαστικότητα), τις ηλεκτρικές ιδιότητες (π.χ. αγωγιμότητα), τις λειτουργικές ιδιότητες (π.χ. διαπερατότητα, θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, μέτρο ελαστικότητας) και τη συμπεριφορά σε θραύση των συγκολλητικών από θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή. Τα νανοϋλικά δεν προσδίδουν μόνο ειδικές ιδιότητες υψηλών επιδόσεων, όπως αντοχή συγκόλλησης, ανθεκτικότητα, conduciveness, ελαστικότητα ή θερμική αντοχή· η προσθήκη νανοδομημένων σωματιδίων μπορεί επίσης να βελτιώσει τις ιδιότητες φραγμού των πολυμερών.
Οι δυνάμεις υψηλής διάτμησης της ακουστικής σπηλαίωσης που παράγεται με υπερήχους είναι γνωστές για την ικανότητά τους να αποσυσσωματώνουν και να διασπείρουν νανοσωματίδια, ακόμη και να θραύουν πρωτογενή σωματίδια (δηλαδή άλεση με υπερήχους). Όταν αυτές οι δυνάμεις των υπερήχων εφαρμόζονται σε πολυμερικά συστήματα που περιέχουν νανοσωματίδια και άλλα πληρωτικά υλικά, προκύπτει μια πολύ ομοιόμορφη σύνθεση. Η διασπορά με υπερήχους είναι μια ενεργειακά αποδοτική μέθοδος που παρουσιάζει χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με συμβατικές μεθόδους ανάμειξης με διάτμηση, όπως οι αναμικτήρες λεπίδων υψηλής διάτμησης, οι αναμικτήρες με πτερωτή ή οι μύλοι.

Το βίντεο παρουσιάζει την ανάμειξη και τη διασπορά γραφίτη σε 250mL εποξειδικής ρητίνης (Toolcraft L) με χρήση ομογενοποιητή υπερήχων (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει εξοπλισμό για τη διασπορά γραφίτη, γραφενίου, νανοσωλήνων άνθρακα, νανοσυρμάτων ή πληρωτικών στο εργαστήριο ή σε διεργασίες παραγωγής μεγάλου όγκου. Τυπικές εφαρμογές είναι η διασπορά νανοϋλικών και μικροϋλικών κατά τη λειτουργικοποίηση ή η διασπορά τους σε ρητίνες ή πολυμερή.

Οι Kaboori et al. (2013) έδειξαν ότι η κατεργασία με υπερήχους αποτελεί αποτελεσματική μέθοδο για τη διασπορά των στρωματικών δομών του μοντμοριλλονίτη (MMT) και την ανάπτυξη συγκολλητικών PVA ενισχυμένων με MMT. Η κατεργασία με υπερήχους αποδείχθηκε αξιόπιστη και αποδοτική για τη διασπορά νανοαργίλου σε PVA σε χαμηλές (1% και 2%) και υψηλές (4%) περιεκτικότητες.
Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι η «τεχνική των υπερήχων είναι πολύ αποδοτική στη διασπορά νανοαργίλου, ιδιαίτερα σε υψηλές περιεκτικότητες, σε αντίθεση με τον αναμικτήρα υψηλής ταχύτητας και υψηλής διάτμησης. Η ανάμιξη υψηλής ταχύτητας μπορούσε να διασπείρει νανοάργιλο στο PVA μόνο σε χαμηλές περιεκτικότητες και αύξανε την αντοχή συγκόλλησης του PVA σε διαφορετικές συνθήκες. Η ανάμιξη υψηλής ταχύτητας έχει ορισμένα μειονεκτήματα: πιθανή βλάβη στο γαλάκτωμα PVA (λόγω της ισχυρής δύναμης διάτμησης που χρησιμοποιείται κατά την ανάμιξη), υψηλό κόστος και υψηλή κατανάλωση ενέργειας. Αντίθετα, η τεχνική της κατεργασίας με υπερήχους έχει ελάχιστη αρνητική επίδραση στο γαλάκτωμα PVA. Επιπλέον, η τεχνική της κατεργασίας με υπερήχους είναι οικονομική, καθώς η ανάμιξη με υπερήχους θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί πριν από την παραγωγή του PVA και το διάλυμα που περιέχει νανοάργιλο μπορεί να προστεθεί στο PVA κατά τη διαδικασία παραγωγής. Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας και της προηγούμενης εργασίας μας, καθώς και τα πλεονεκτήματα της τεχνικής της κατεργασίας με υπερήχους έναντι της ανάμιξης υψηλής ταχύτητας, η προσθήκη νανοαργίλου στο PVA σε βιομηχανική κλίμακα φαίνεται εφικτή και μπορεί να συνιστάται στους κατασκευαστές συγκολλητικών ξύλου.» (Kaboori et al., 2013)

Επιδράσεις της απαέρωσης με υπερήχους στην παραγωγή συγκολλητικών

Ένα πρόσθετο πλεονέκτημα της κατεργασίας με υπερήχους, το οποίο βελτιώνει σημαντικά τα αποτελέσματα της παρασκευής των συνθέσεων, είναι η απαερωτική δράση της κατεργασίας με υπερήχους. Η μηχανική ανάδευση υψηλής ταχύτητας (π.χ. με αναμικτήρες πτερυγίων υψηλής διάτμησης) παράγει μεγάλο αριθμό φυσαλίδων αερίου στο μίγμα, οι οποίες σε ορισμένες περιπτώσεις θα μπορούσαν μάλιστα να γίνουν αντιληπτές λόγω του ανοιχτότερου χρώματος του μίγματος. Η ανάμιξη υψηλής διάτμησης με υπερήχους έχει το τεράστιο πλεονέκτημα ότι η τεχνική της κατεργασίας με υπερήχους δεν ενσωματώνει αέρια στη σύνθεση του συγκολλητικού· αντίθετα, τα υπερηχητικά κύματα αναγκάζουν τις ήδη υπάρχουσες φυσαλίδες αερίου να συνενωθούν και να ανέλθουν στην επιφάνεια του υγρού, από όπου το αέριο μπορεί εύκολα να απομακρυνθεί. Έτσι, η κατεργασία με υπερήχους προάγει την απαέρωση και την απομάκρυνση του αέρα από υγρά και συνθέσεις συγκολλητικών. (πρβλ. Shadlou et al., 2014)

Διασπορείς υπερήχων υψηλών επιδόσεων για βιομηχανικές συνθέσεις συγκολλητικών

Η Hielscher Ultrasonics σχεδιάζει, κατασκευάζει και διανέμει διασπορείς υπερήχων υψηλών επιδόσεων για απαιτητικές εφαρμογές, όπως η παραγωγή συγκολλητικών υψηλών επιδόσεων, ρητινών με υψηλή περιεκτικότητα σε πληρωτικά και νανοσύνθετων υλικών. Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για τη διασπορά νανοϋλικών σε πολυμερή, ρητίνες, επιστρώσεις και άλλα υλικά υψηλών επιδόσεων.
Οι διασπορείς υπερήχων της Hielscher μπορούν να τροφοδοτούνται μέσω διαφόρων ρευμάτων τροφοδοσίας, με την προσθήκη διαφόρων υλικών υπό ελεγχόμενες συνθήκες ροής στη ζώνη ανάμειξης με σπηλαίωση. Οι διασπορείς υπερήχων είναι αξιόπιστοι και αποδοτικοί στην επεξεργασία υλικών από χαμηλό έως υψηλό ιξώδες. Ανάλογα με τις πρώτες ύλες και τον επιδιωκόμενο βαθμό μείωσης του μεγέθους των σωματιδίων, η ένταση των υπερήχων μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια.
Για την επεξεργασία παχύρρευστων πολυμερικών παστών, νανοϋλικών και υψηλών συγκεντρώσεων στερεών, ο διασπορέας υπερήχων πρέπει να μπορεί να παράγει συνεχώς υψηλά πλάτη ταλάντωσης. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης σε συνεχή λειτουργία υπό πλήρες φορτίο. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν σε λειτουργία 24/7. Η δυνατότητα λειτουργίας ενός διασπορέα υπερήχων σε υψηλά πλάτη ταλάντωσης και ακριβούς ρύθμισης του πλάτους είναι απαραίτητη για την προσαρμογή των συνθηκών της διεργασίας υπερήχων στην παρασκευή συγκολλητικών υψηλών επιδόσεων, πολυμερικών μειγμάτων ενισχυμένων με νανοϋλικά και νανοσύνθετων υλικών.
Εκτός από το πλάτος ταλάντωσης των υπερήχων, η πίεση είναι μια ακόμη πολύ σημαντική παράμετρος της διεργασίας. Σε αυξημένες πιέσεις, ενισχύονται η ένταση της σπηλαίωσης που προκαλείται από τους υπερήχους και οι δυνάμεις διάτμησής της. Οι αντιδραστήρες υπερήχων της Hielscher μπορούν να τεθούν υπό πίεση, επιτυγχάνοντας έτσι εντονότερα αποτελέσματα κατεργασίας με υπερήχους.
Η παρακολούθηση της διεργασίας και η καταγραφή δεδομένων είναι σημαντικές για τη συνεχή τυποποίηση της διεργασίας και την ποιότητα του προϊόντος. Συνδεόμενοι αισθητήρες πίεσης και θερμοκρασίας συνδέονται καλωδιακά στη γεννήτρια υπερήχων για την παρακολούθηση και τον έλεγχο της διεργασίας διασποράς με υπερήχους. Όλες οι σημαντικές παράμετροι επεξεργασίας, όπως η ενέργεια υπερήχων (καθαρή + συνολική), η θερμοκρασία, η πίεση και ο χρόνος, καταγράφονται αυτόματα και αποθηκεύονται σε ενσωματωμένη κάρτα SD. Με την πρόσβαση στα δεδομένα της διεργασίας που καταγράφονται αυτόματα, μπορείτε να επανεξετάζετε προηγούμενους κύκλους κατεργασίας με υπερήχους και να αξιολογείτε τα αποτελέσματα της διεργασίας.
Ένα ακόμη εύχρηστο χαρακτηριστικό είναι ο απομακρυσμένος έλεγχος των ψηφιακών συστημάτων υπερήχων μας μέσω προγράμματος περιήγησης. Μέσω του απομακρυσμένου ελέγχου από πρόγραμμα περιήγησης, μπορείτε να εκκινείτε, να διακόπτετε, να ρυθμίζετε και να παρακολουθείτε τον επεξεργαστή υπερήχων σας από απόσταση, από οπουδήποτε.
Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τους διασπορείς υπερήχων υψηλών επιδόσεων που διαθέτουμε και τις εφαρμογές τους στην παραγωγή συγκολλητικών και επιστρώσεων υψηλών επιδόσεων!
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:

---

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.