Ultrasonidos para la Formulación de Capas

Diversos componentes, como pigmentos, cargas, aditivos químicos, reticulantes y modificadores reológicos entran en las formulaciones de revestimientos y pinturas. Los ultrasonidos son un medio eficaz para dispersar, emulsionar, desaglomerar y moler estos componentes en los revestimientos.

Los ultrasonidos se utilizan en la formulación de revestimientos para:

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

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

Formulación mejorada del revestimiento mediante ultrasonidos

Los ultrasonidos pueden ayudar a los formuladores de revestimientos arquitectónicos, industriales, de automoción y de madera a mejorar las características del revestimiento, como la intensidad del color, la resistencia a arañazos, grietas y rayos UV o la conductividad eléctrica. Algunas de estas características del revestimiento se consiguen mediante la inclusión de materiales de tamaño nanométrico, como óxidos metálicos (TiO₂sílice, ceria, ZnO, …).

Además, los ultrasonidos ayudan a desespumar (burbujas atrapadas) y 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 laboratorio, sobremesa y a nivel de producción industrial, y permite rendimientos de más de 10 toneladas/hora, se está aplicando en la R&D y en la producción comercial. Los resultados del proceso pueden ampliarse de forma sencilla y lineal.

Los 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 reduce considerablemente los costes de procesamiento.

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

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

Polimerización en emulsión mediante sonicación

Las fórmulas tradicionales de recubrimiento utilizan la química básica de los polímeros. El cambio a la tecnología de revestimiento al agua repercute en la selección de materias primas, propiedades y metodologías de formulación.

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

El procesamiento por ultrasonidos puede utilizarse de dos formas para generar emulsiones poliméricas.

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

 

 

Polímeros nanoparticulados en miniemulsiones

La polimerización de partículas en miniemulsiones permite fabricar partículas poliméricas dispersas con un buen control del tamaño de las partículas. La síntesis de partículas poliméricas nanoparticuladas en miniemulsiones (también conocidas como nanoreactores), 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 gotitas individuales y confinadas. En su trabajo, Landfester (2001) presenta la polimerización en nanoreactores en alta perfección para la generación de partículas altamente idénticas de tamaño casi uniforme. La imagen superior muestra partículas obtenidas por poliadición asistida por ultrasonidos en miniemulsiones.

Las pequeñas gotitas generadas por la aplicación de alto cizallamiento (ultrasonidos) 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. Dado que 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 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 superficie total. La imagen de la izquierda muestra la correlación entre el tamaño de las partículas y su 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. Pueden obtenerse gotas de 30 a 200 nm utilizando tensioactivos aniónicos o catiónicos.

Pigmentos en revestimientos

Los pigmentos orgánicos e inorgánicos son un componente importante de las fórmulas de recubrimiento. Para maximizar el rendimiento de los pigmentos 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 con agitador, se utilizan habitualmente para romper estos aglomerados y triturar 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 perlino. El ultrasonido tritura las partículas individuales de pigmento mediante la colisión de alta velocidad entre partículas. La ventaja destacada de la ultrasonicación es el gran impacto de las fuerzas de cizallamiento cavitacional, que hace innecesario el uso de medios de molienda (por ejemplo, perlas, perlas). Al ser aceleradas las partículas por chorros de líquido extremadamente rápidos de hasta 1.000 km/h, chocan violentamente y se rompen en pequeños trozos. La abrasión de las partículas confiere 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.

 

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. Generalmente, 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 procesado, el brillo, la resistencia y el aspecto óptico.

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

El gráfico siguiente muestra las curvas de distribución del tamaño de las partículas para la desaglomeración 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.

Materiales nanométricos en revestimientos de alto rendimiento

La nanotecnología es una tecnología emergente que se abre camino en muchas industrias. Los nanomateriales y nanocompuestos se están utilizando en fórmulas de recubrimiento, por ejemplo, para mejorar la resistencia a la abrasión y los arañazos o la estabilidad a los rayos UV. El mayor reto para su aplicación en recubrimientos es mantener la transparencia, la claridad y el brillo. Por ello, las nanopartículas tienen que ser muy pequeñas para evitar interferencias con el espectro visible de la luz. Para muchas aplicaciones, este tamaño es sustancialmente inferior a 100 nm.

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 turbidez 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 líquidos provoca colisiones de alta velocidad entre partículas. A diferencia de los molinos de bolas y los molinos de guijarros convencionales, las propias partículas se trituran entre sí, lo que hace innecesario el uso de medios de molienda.

Empresas como Panadur (Alemania) utilizan ultrasonidos Hielscher para la dispersión y desaglomeración de nanomateriales en revestimientos en molde. Haga clic aquí para obtener más información sobre la dispersión ultrasónica de revestimientos en molde.

Para la sonicación de líquidos o disolventes inflamables en entornos peligrosos se dispone de procesadores con certificación ATEX. Obtenga más información sobre el ultrasonicador UIP1000-Exd con certificación Atex.