Ultrasonidos en la formulación de recubrimientos

En las formulaciones de recubrimientos y pinturas se incorporan diversos componentes, como pigmentos, cargas, aditivos químicos, agentes reticulantes y modificadores reológicos. Los ultrasonidos son un medio eficaz para la dispersión, emulsificación, desaglomeración y molienda de estos componentes en los recubrimientos.

Los ultrasonidos se utilizan en la formulación de recubrimientos para:

• la emulsificación de polímeros en sistemas acuosos
• la dispersión y molienda fina de pigmentos
• la reducción del tamaño de los nanomateriales en recubrimientos de alto rendimiento

Los recubrimientos se dividen en dos grandes categorías: resinas y recubrimientos de base acuosa y de base disolvente. Cada tipo presenta sus propios retos. Las directrices que exigen reducir los compuestos orgánicos volátiles (COV) y los elevados precios de los disolventes impulsan el crecimiento de las tecnologías de recubrimientos con resinas de base acuosa. El uso de la ultrasonicación puede mejorar el rendimiento de estos sistemas respetuosos con el medio ambiente.

Mejora de la formulación de recubrimientos mediante ultrasonicación

Los ultrasonidos pueden ayudar a los formuladores de recubrimientos arquitectónicos, industriales, para automoción y para madera a mejorar las características del recubrimiento, como el poder colorante, la resistencia al rayado, al agrietamiento y a la radiación UV, o la conductividad eléctrica. Algunas de estas características se consiguen mediante la incorporación de materiales de tamaño nanométrico, por ejemplo, óxidos metálicos (TiO₂, sílice, óxido de cerio, ZnO, …).

Los ultrasonidos también contribuyen a la eliminación de espuma (burbujas atrapadas) y a la desgasificación (gas disuelto) de productos muy viscosos. ¡Más información sobre la desaireación y desgasificación ultrasónicas de líquidos!

La tecnología de dispersión ultrasónica puede utilizarse a escala de laboratorio, con equipos de sobremesa y en la producción industrial, con capacidades de procesamiento superiores a 10 toneladas/hora, por lo que se aplica tanto en la fase de I+D como en la producción comercial. Los resultados del proceso pueden trasladarse fácilmente a una escala mayor de forma lineal.

Los equipos ultrasónicos de Hielscher tienen una eficiencia energética muy elevada. Los equipos convierten aproximadamente entre el 80 y el 90% de la potencia eléctrica de entrada en actividad mecánica en el líquido. Esto se traduce en costes de procesamiento considerablemente menores.

En los enlaces siguientes encontrará más información sobre el uso de ultrasonidos de alto rendimiento para

• la emulsificación de polímeros en sistemas acuosos,
• la dispersión y molienda fina de pigmentos,
• y la reducción del tamaño de los nanomateriales.

Polimerización en emulsión mediante sonicación

Las formulaciones tradicionales de recubrimientos utilizan principios básicos de la química de polímeros. El cambio a la tecnología de recubrimientos de base acuosa repercute en la selección de materias primas, las propiedades y los métodos de formulación.

En la polimerización en emulsión convencional, por ejemplo, para recubrimientos de base acuosa, las partículas se forman desde el centro hacia la superficie. Los factores cinéticos influyen en la homogeneidad y la morfología de las partículas.

El procesamiento ultrasónico puede utilizarse de dos formas para generar emulsiones de polímeros.

• Descendente: Emulsificación/dispersión de partículas de polímero más grandes para generar partículas más pequeñas mediante la reducción de tamaño
• Ascendente: Uso de ultrasonidos antes o durante la polimerización de las partículas

 

En este vídeo le mostramos un sistema ultrasónico de 2 kilovatios para funcionamiento en línea en un armario purgable. Hielscher suministra equipos ultrasónicos a prácticamente todos los sectores, como la industria química, farmacéutica y cosmética, así como para procesos petroquímicos y procesos de extracción con disolventes. Este armario purgable de acero inoxidable está diseñado para funcionar en zonas peligrosas. Para ello, el cliente puede purgar el armario sellado con nitrógeno o aire fresco para evitar la entrada de gases o vapores inflamables.

 

Polímeros nanoparticulados en miniemulsiones

La polimerización de partículas en miniemulsiones permite fabricar partículas de polímero dispersas con un buen control del tamaño de partícula. La síntesis de partículas de polímero de tamaño nanométrico en miniemulsiones (también conocidas como nanorreactores), tal como la presenta K. Landfester (2001), es un método excelente para la formación de nanopartículas poliméricas. Este enfoque utiliza el gran número de pequeños nanocompartimentos (fase dispersa) de una emulsión como nanorreactores. En ellos, las partículas se sintetizan con un alto grado de paralelismo en las gotas individuales y confinadas. En su artículo, Landfester (2001) presenta una polimerización en nanorreactores de gran perfección para generar partículas prácticamente idénticas y de tamaño casi uniforme. La imagen superior muestra partículas obtenidas por poliadición asistida por ultrasonidos en miniemulsiones.

Las pequeñas gotas generadas mediante la aplicación de un cizallamiento intenso (ultrasonicación) y estabilizadas con agentes estabilizantes (emulsionantes) pueden endurecerse mediante una polimerización posterior o mediante una disminución de la temperatura en el caso de materiales con un punto de fusión bajo. Dado que la ultrasonicación puede producir gotas muy pequeñas y de tamaño casi uniforme tanto en procesos por lotes como en procesos de producción, permite un buen control del tamaño final de las partículas. Para la polimerización de nanopartículas, los monómeros hidrófilos pueden emulsionarse en una fase orgánica y los monómeros hidrófobos en agua.

Al reducir el tamaño de las partículas, aumenta al mismo tiempo su área superficial total. La imagen de la izquierda muestra la correlación entre el tamaño de partícula y el área superficial en el caso de partículas esféricas. Por tanto, la cantidad de tensioactivo necesaria para estabilizar la emulsión aumenta de forma casi lineal con el área superficial total de las partículas. El tipo y la cantidad de tensioactivo influyen en el tamaño de las gotas. Con tensioactivos aniónicos o catiónicos pueden obtenerse gotas de 30 a 200 nm.

Pigmentos en recubrimientos

Los pigmentos orgánicos e inorgánicos son un componente importante de las formulaciones de recubrimientos. Para maximizar el rendimiento de los pigmentos es necesario controlar adecuadamente el tamaño de partícula. Al añadir pigmento en polvo a sistemas de base acuosa, de base disolvente o epoxi, las partículas individuales del pigmento tienden a formar grandes aglomerados. Tradicionalmente se utilizan mecanismos de alto cizallamiento, como mezcladores de rotor-estator o molinos de perlas con agitador, para romper estos aglomerados y moler las partículas individuales del pigmento. La ultrasonicación es una alternativa extremadamente eficaz para esta etapa de la fabricación de recubrimientos.

Los gráficos siguientes muestran el efecto de la sonicación sobre el tamaño de un pigmento nacarado. Los ultrasonidos muelen las partículas individuales del pigmento mediante colisiones entre partículas a alta velocidad. La principal ventaja de la ultrasonicación es el intenso efecto de las fuerzas de cizallamiento generadas por la cavitación, que hace innecesario el uso de medios de molienda (por ejemplo, microesferas o perlas). Al ser aceleradas por chorros de líquido extremadamente rápidos de hasta 1000 km/hr, las partículas chocan violentamente y se fragmentan en pequeños trozos. La abrasión de las partículas proporciona una superficie lisa a las partículas molidas por ultrasonidos. En conjunto, la molienda y dispersión ultrasónicas dan lugar a una distribución uniforme de partículas de tamaño fino.

 

La molienda y dispersión ultrasónicas suelen superar a los mezcladores de alta velocidad y a los molinos con medios de molienda, ya que la sonicación proporciona un procesamiento más uniforme de todas las partículas. En general, la ultrasonicación produce tamaños de partícula menores y una distribución estrecha del tamaño de partícula (curvas de molienda de pigmentos). Esto mejora la calidad global de las dispersiones de pigmentos, ya que las partículas más grandes suelen perjudicar la procesabilidad, el brillo, la resistencia y el aspecto óptico.

Dado que la molienda y trituración de partículas se basan en las colisiones entre partículas provocadas por la cavitación ultrasónica, los reactores ultrasónicos pueden procesar concentraciones de sólidos bastante elevadas (por ejemplo, concentrados maestros) y seguir consiguiendo una buena reducción de tamaño. La tabla siguiente muestra imágenes de la molienda en húmedo de TiO2.

El gráfico siguiente muestra las curvas de distribución del tamaño de partícula para la desaglomeración por ultrasonicación del dióxido de titanio anatasa de Degussa. La forma estrecha de la curva tras la sonicación es una característica típica del procesamiento ultrasónico.

Materiales de tamaño nanométrico en recubrimientos de alto rendimiento

La nanotecnología es una tecnología emergente que se está incorporando a numerosos sectores industriales. Los nanomateriales y nanocompuestos se utilizan en formulaciones de recubrimientos, por ejemplo, para mejorar la resistencia a la abrasión y al rayado o la estabilidad frente a la radiación UV. El mayor reto para su aplicación en recubrimientos es conservar la transparencia, la claridad y el brillo. Por ello, las nanopartículas deben ser muy pequeñas para evitar interferencias con el espectro visible de la luz. Para muchas aplicaciones, el tamaño debe ser considerablemente inferior a 100 nm.

La molienda en húmedo de componentes de alto rendimiento hasta alcanzar el intervalo nanométrico se convierte en una etapa crucial en la formulación de recubrimientos diseñados mediante nanoingeniería. Cualquier partícula que interfiera con la luz visible provoca turbidez y pérdida de transparencia. Por 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 líquidos provoca colisiones entre partículas a alta velocidad. A diferencia de los molinos de perlas y de guijarros convencionales, las propias partículas se trituran entre sí, por lo que los medios de molienda resultan innecesarios.

Empresas como Panadur (Alemania) utilizan equipos de ultrasonicación de Hielscher para la dispersión y desaglomeración de nanomateriales en recubrimientos aplicados dentro del molde. ¡Haga clic aquí para obtener más información sobre la dispersión ultrasónica de recubrimientos aplicados dentro del molde!

Para la sonicación de líquidos inflamables o disolventes en entornos peligrosos, se dispone de procesadores con certificación ATEX. ¡Más información sobre el equipo de ultrasonicación UIP1000-Exd con certificación Atex!