Ultrasonidos para la Formulación de Capas

Diversos componentes, tales como pigmentos, cargas, aditivos químicos, agentes de reticulación y modificadores de la reología entran en formulaciones de recubrimiento o de pintura. El ultrasonido es un medio eficaz para la dispersión y emulsificación, la desaglomeración y molienda de tales componentes en revestimientos.

El ultrasonido se utiliza en la formulación de recubrimientos para:

Los revestimientos se dividen en dos grandes categorías: resinas y revestimientos de base acuosa y de base disolvente. Cada tipo tiene sus propios retos. Las directrices que exigen la reducción de los COV y los elevados precios de los disolventes estimulan el crecimiento de las tecnologías de recubrimiento con resinas de base acuosa. El uso de ultrasonidos puede mejorar el rendimiento de estos sistemas ecológicos.

Formulación de revestimiento mejorada gracias a la ultrasonicación

Los ultrasonidos pueden ayudar a los formuladores de revestimientos arquitectónicos, industriales, de automoción y de madera a mejorar las características del revestimiento, como la resistencia al color, a los arañazos, a las grietas y a los rayos UV o la conductividad eléctrica. Algunas de estas características del revestimiento se consiguen mediante la inclusión de materiales de tamaño nanométrico, por ejemplo, óxidos metálicos (TiO2, Sílice, óxido de cerio, ZnO, …).

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Sistema de dispersión por ultrasonidos de 2x UIP1000hdT con una potencia total de procesamiento de ultrasonidos de 2kW para la dispersión de revestimientos.

Sistema de ultrasonidos de 2 dispersores ultrasónicos de 1000 vatios en una cabina purgable.

Los ultrasonidos ayudan además a desespumar (burbujas atrapadas) y a desgasificar (gas disuelto) los productos muy viscosos. Más información sobre la desaireación y desgasificación de líquidos por ultrasonidos

Dado que la tecnología de dispersión por ultrasonidos puede utilizarse en el laboratorio, en la mesa de trabajo y en la producción industrial, lo que permite un rendimiento de más de 10 toneladas/hora, se está aplicando en la R&D y en la producción comercial. Los resultados del proceso pueden ampliarse fácilmente y de forma lineal.

La eficiencia energética global es importante para la ultrasonificación de los líquidosLos dispositivos ultrasónicos de Hielscher son muy eficientes desde el punto de vista energético. Los dispositivos convierten aproximadamente entre el 80 y el 90% de la potencia eléctrica de entrada en actividad mecánica en el líquido. Esto hace que los costes de procesamiento sean sustancialmente menores.

Siguiendo los siguientes enlaces, puede leer más sobre el uso de los ultrasonidos de alto rendimiento para la

Polimerización en emulsión mediante sonicación

Las formulaciones tradicionales de los revestimientos utilizan la química básica de los polímeros. El cambio a la tecnología de recubrimiento con base de agua tiene un impacto en la selección de materias primas, propiedades y metodologías de formulación.

En la polimerización en emulsión convencional, por ejemplo, para revestimientos a base de agua, las partículas se construyen desde el centro a su superficie. factores cinéticos influyen en la homogeneidad de las partículas y morfología.

procesamiento ultrasónico se puede utilizar de dos maneras generar emulsiones de polímero.

  • De arriba hacia abajo: Emulsión/Dispersión partículas de polímero de mayor tamaño para generar partículas más pequeñas por la reducción de tamaño
  • De abajo hacia arriba: Uso de ultrasonidos antes o durante la polimerización de partículas

 

En este vídeo le mostramos un sistema de ultrasonidos de 2 kilovatios para el funcionamiento en línea en una cabina purgable. Hielscher suministra equipos de ultrasonidos a casi todas las industrias, como la química, la farmacéutica, la cosmética, los procesos petroquímicos y los procesos de extracción con disolventes. Esta cabina de acero inoxidable purgable está diseñada para funcionar en zonas peligrosas. Para ello, la cabina sellada puede ser purgada por el cliente con nitrógeno o aire fresco para evitar la entrada de gases o vapores inflamables en la cabina.

2x 1000 Watts Ultrasonicators en gabinete purgable para la instalación en áreas peligrosas

 

Los polímeros en forma de nanopartículas en miniemulsiones

Partículas obtenidas por poliadición en miniemulsionesLa polimerización de partículas en miniemulsiones permite la fabricación de partículas poliméricas dispersas con un buen control del tamaño de las partículas. La síntesis de partículas poliméricas nanoparticuladas en miniemulsiones (también conocidas como nanorreactores), presentada por K. Landfester (2001), es un método excelente para la formación de nanopartículas poliméricas. Este enfoque utiliza el elevado número de pequeños nanocompartimentos (fase dispersa) de una emulsión como nanorreactores. En ellos, las partículas se sintetizan de forma altamente paralela en las gotas individuales y confinadas. En su artículo, Landfester (2001) presenta la polimerización en nanorreactores en alta perfección para la generación de partículas altamente idénticas de tamaño casi uniforme. La imagen superior muestra las partículas obtenidas por poliadición asistida por ultrasonidos en miniemulsiones.

Las pequeñas gotas generadas por la aplicación de alto cizallamiento (ultrasonido) y estabilizadas por agentes estabilizadores (emulsionantes), pueden endurecerse por polimerización posterior o por disminución de la temperatura en el caso de materiales que se funden a baja temperatura. Como la ultrasonicación puede producir gotas muy pequeñas de tamaño casi uniforme en el proceso de producción y por lotes, permite un buen control del tamaño final de las partículas. Para la polimerización de nanopartículas, los monómeros hidrofílicos pueden emulsionarse en una fase orgánica, y los hidrofóbicos en agua.

Impacto del tamaño de las partículas en la superficieAl reducir el tamaño de las partículas, aumenta al mismo tiempo la superficie total de las mismas. La imagen de la izquierda muestra la correlación entre el tamaño de las partículas y el área de superficie en el caso de las partículas esféricas. Por tanto, la cantidad de tensioactivo necesaria para estabilizar la emulsión aumenta casi linealmente con la superficie total de las partículas. El tipo y la cantidad de tensioactivo influyen en el tamaño de las gotas. Se pueden obtener gotas de 30 a 200 nm utilizando tensioactivos aniónicos o catiónicos.

Pigmentos en recubrimientos

Los pigmentos orgánicos e inorgánicos son un componente importante de las fórmulas de recubrimiento. Para maximizar el rendimiento del pigmento es necesario un buen control del tamaño de las partículas. Cuando se añade polvo de pigmento a sistemas a base de agua, a base de disolvente o epoxi, las partículas individuales de pigmento tienden a formar grandes aglomerados. Los mecanismos de alto cizallamiento, como los mezcladores rotor-estator o los molinos de bolas agitadoras, se utilizan habitualmente para romper estos aglomerados y moler las partículas individuales de pigmento. La ultrasonicación es una alternativa muy eficaz para este paso en la fabricación de recubrimientos.

Los gráficos siguientes muestran el impacto de la sonicación en el tamaño de un pigmento de brillo perlado. El ultrasonido tritura las partículas individuales del pigmento mediante la colisión de alta velocidad entre las partículas. La ventaja más destacada de la ultrasonicación es el alto impacto de las fuerzas de cizallamiento cavitacional, que hace innecesario el uso de medios de molienda (por ejemplo, perlas, perlas). Como las partículas son aceleradas por chorros de líquido extremadamente rápidos de hasta 1000km/h, chocan violentamente y se rompen en pequeños trozos. La abrasión de las partículas proporciona a las partículas fresadas por ultrasonidos una superficie lisa. En general, el fresado y la dispersión por ultrasonidos dan como resultado una distribución de partículas de tamaño fino y uniforme.

Molienda por ultrasonidos y dispersión de pigmentos de brillo perlado.

Molienda y dispersión por ultrasonidos de pigmentos de brillo perlado. El gráfico rojo muestra la distribución del tamaño de las partículas antes de la sonicación, la curva verde es durante la sonicación, la curva azul muestra los pigmentos finales después de la dispersión ultrasónica.

 

La molienda y dispersión por ultrasonidos suele superar a los mezcladores de alta velocidad y a los molinos de medios, ya que la sonicación proporciona un procesamiento más consistente de todas las partículas. En general, la ultrasonicación produce tamaños de partículas más pequeños y una distribución de tamaños de partículas estrecha (curvas de molienda de pigmentos). Esto mejora la calidad general de las dispersiones de pigmentos, ya que las partículas más grandes suelen interferir en la capacidad de procesamiento, el brillo, la resistencia y el aspecto óptico.

Dado que la molienda de las partículas se basa en la colisión entre ellas como resultado de la cavitación ultrasónica, los reactores ultrasónicos pueden manejar concentraciones de sólidos bastante altas (por ejemplo, lotes maestros) y seguir produciendo buenos efectos de reducción de tamaño. La siguiente tabla muestra imágenes de la molienda en húmedo de TiO2.

Las partículas de dióxido de titanio TiO2 fresadas por ultrasonidos muestran un diámetro drásticamente reducido y una estrecha distribución de tamaños.

TiO2 molido por bolas antes y después de la molienda por ultrasonidos

Las partículas de dióxido de titanio TiO2 después de la molienda por ultrasonidos muestran un diámetro drásticamente reducido y una distribución de tamaño estrecha.

TiO2 secado por pulverización antes y después de la molienda por ultrasonidos

El siguiente gráfico muestra las curvas de distribución del tamaño de las partículas para la desagregación del dióxido de titanio anatasa de Degussa mediante ultrasonidos. La forma estrecha de la curva tras la sonicación es una característica típica del procesamiento por ultrasonidos.

El TiO2 dispersado por ultrasonidos (anatasa de Degussa) muestra una estrecha distribución del tamaño de las partículas.

El TiO2 dispersado por ultrasonidos (anatasa de Degussa) muestra una estrecha distribución del tamaño de las partículas.

Los materiales de tamaño nanométrico en revestimientos de alto rendimiento

La nanotecnología es una tecnología emergente que se está abriendo camino en muchas industrias. Los nanomateriales y los nanocompuestos se utilizan en las formulaciones de los revestimientos, por ejemplo para mejorar la resistencia a la abrasión y a los arañazos o la estabilidad a los rayos ultravioleta. El mayor desafío para la aplicación en los recubrimientos es la retención de la transparencia, la claridad y el brillo. Por lo tanto, las nanopartículas han sido muy pequeñas para evitar la interferencia con el espectro visible de la luz. Para muchas aplicaciones, esto es sustancialmente inferior a 100nm.

La molienda en húmedo de componentes de alto rendimiento hasta el rango nanométrico se convierte en un paso crucial en la formulación de revestimientos de nanoingeniería. Cualquier partícula que interfiera con la luz visible, provoca bruma y pérdida de transparencia. Por lo tanto, se requieren distribuciones de tamaño muy estrechas. La ultrasonicación es un medio muy eficaz para la molienda fina de sólidos. La cavitación ultrasónica/acústica en los líquidos provoca colisiones de alta velocidad entre las partículas. A diferencia de los molinos de bolas convencionales y de los molinos de guijarros, las propias partículas se trituran entre sí, haciendo innecesarios los medios de molienda.

Las empresas, como Panadur (Alemania) utilizan los ultrasonidos de Hielscher para la dispersión y desagregación de nanomateriales en revestimientos en molde. Haga clic aquí para leer más sobre la dispersión por ultrasonidos de los revestimientos en el molde.

Para la sonicación de líquidos o disolventes inflamables en entornos peligrosos, existen procesadores con certificación ATEX. Obtenga más información sobre el ultrasonido certificado por Atex UIP1000-Exd.

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El video está demostrando la dispersión ultrasónica del color rojo usando el UP400St con una sonda S24d de 22mm.

Dispersión ultrasónica del color rojo usando el UP400St


Homogeneizador industrial por ultrasonidos para la dispersión y molienda eficaz de pigmentos.

El MultiSonoReactor MSR-4 es un homogeneizador industrial en línea adecuado para la producción industrial de dispersiones de pigmentos y polímeros.


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonido compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.