Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Ultrasonidos para la formulación de revistimientos

Diversos compuestos, como pigmentos, rellenos, aditivos químicos, agentes de reticulación y modificadores de la reología, entran en las formulaciones de revestimientos o pinturas. El ultrasonido es un medio eficaz para la dispersión y emulsión, desaglomeración y molienda de estos compuestos empleados para la fabricación de revestimientos.

Los ultrasonidos se utilizan en la formulación de recubrimientos para:

Los revestimientos se dividen en dos amplias categorías: resinas y revestimientos con base agua o base solvente. Cada tipo tiene sus propios desafíos. Las directrices que marcan la reducción de VOC y los altos precios de los disolventes han hecho crecer la demanda de tecnologías para producir recubrimientos de resinas de base acuosa. El uso de ultrasonidos puede mejorar el rendimiento de estos sistemas ecológicos.

El ultrasonido puede ayudar a los formuladores de recubrimientos arquitectónicos, industriales, para automoción y la madera para mejorar las características del producto, como la intensidad del color, la resistencia a arañazos, grietas y radiación UV o la conductividad eléctrica. Algunas de estas propiedades se consiguen mediante la inclusión de materiales de nanotamaño, p.ej., óxidos metálicos (TiO2, sílice, óxido de cerio, ZnO, …).

El ultrasonido ayuda también en la eliminación de espumas (burbujas atrapadas) y desgasificación (gas disuelto) en productos altamente viscosos.

La tecnología de dispersión por ultrasonidos se puede utilizar para el laboratorio, producción por lotes y plantas de producción, lo que permite alcanzar tasas de procesamiento de más de 10 toneladas/hora partiendo de una fase de R&D antes de la producción comercial. Los resultados del proceso se pueden escalar fácilmente (linealmente).

(Haga clic para ampliar) La eficiencia energética total es importante para el procesamiento de líquidos por ultrasonidos. La eficiencia describe la cantidad de energía que se transfiere desde la toma de corriente hasta el líquido. Nuestros homogeneizadores ultrasónicos tienen una eficiencia global superior al 80 %.Los dispositivos de ultrasonidos de Hielscher son muy eficientes energéticamente. Nuestros dispositivos convierten aproximadamente el 80-90 % de la energía eléctrica en acción mecánica sobre el líquido. Esto reduce sustancialmente los costos de procesamiento.

Más abajo, podrá leer sobre el uso del ultrasonido en procesos de emulsión de polímeros en sistemas acuosos, la dispersión y molienda fina de pigmentos, y la reducción de tamaño de nanomateriales.

Polimerización de emulsiones

Las formulaciones convencionales de revestimientos se basan en química de polímeros. El cambio a una tecnología para revestimientos con base agua tiene un impacto en la selección de las materias primas, así como en las propiedades y métodos de formulación.

En la polimerización de emulsiones convencional, por ejemplo, para revestimientos con base agua, las partículas crecen desde el centro hacia la superficie. Factores cinéticos influyen en la homogeneidad y morfología de las partículas.

El procesamiento ultrasónico se puede emplear de dos maneras para generar emulsiones de polímeros.

  • Top-Down: Emulsión/dispersión de partículas polímeros de mayor tamaño para producir partículas más pequeñas mediante la reducción de su tamaño
  • Bottom-Up: Usando los ultrasonidos antes o durante la polimerización de partículas

Polímeros de nanopartículas en miniemulsiones

(¡Haga clic para ampliar!) Partículas obtenidas por poliadición en miniemulsiones

La polimerización de partículas en miniemulsiones permite obtener partículas poliméricas dispersas con un buen control sobre el tamaño de las partículas. The synthesis of nanoparticulate polymer particles in miniemulsions ("nanoreactors"), as presented by K. Landfester , es el método para la formación de nanopartículas poliméricas. Este enfoque utiliza el elevado número de pequeños nanocompartimentos (fase dispersa) en una emulsión como nanorreactores. En su interior, las partículas se sintetizan de una manera altamente uniforme en los glóbulos individuales confinados. En su artículo (La generación de nanopartículas en miniemulsiones), Landfester presenta la polimerización en nanoreactores como un sistema perfecto para la generación de partículas altamente idénticas con tamaño casi uniforme. La imagen de arriba muestra partículas obtenidas por poliadición en miniemulsiones.

Los pequeños glóbulos generados por la aplicación de fuerzas de alto cizallamento (ultrasonidos) y estabilizas por agentes estabilizantes (emulsionantes) se pueden endurecer mediante su posterior polimerización o disminuyendo la temperatura en el caso de materiales con una baja temperatura de fusión. Como la ultrasonicación puede producir glóbulos muy pequeños de tamaño casi uniforme tanto por lotes como en continuo, ésta posibilita un buen control sobre el tamaño final de partícula. Para la polimerización de nanopartículas, se pueden emulsionar los monómeros hidrófilos en una fase orgánica y los monómeros hidrófobos en agua.

Al reducir el tamaño de partícula, el área superficial total de las partículas aumenta al mismo tiempo. La imagen de la izquierda muestra la correlación entre el tamaño de partícula y la superficie total en el caso de partículas esféricas (¡Haga clic para ampliar!). Por lo tanto, la cantidad de tensioactivo necesario para estabilizar la emulsión aumenta casi linealmente con el área total de las partículas. El tipo y cantidad de agente tensioactivo influye en el tamaño de los glóbulos. Los glóbulos de 30 a 200 nm se pueden obtener usando agentes tensioactivos aniónicos o catiónicos.

Pigmentos para recubrimientos

pigmentos orgánicos e inorgánicos son un componente importante de las formulaciones de revestimiento. Con el fin de maximizar el el rendimiento del pigmento Se necesita un buen control sobre el tamaño de partícula. Cuando la adición de polvo de pigmento a los sistemas a base de agua, disolventes o epoxi, las partículas de pigmento individuales tienden a formar grandes aglomerados. mecanismos de alta cizalladura, tales como mezcladores de rotor-estator o molinos de perlas agitador convencionalmente se utilizan para romper tales aglomerados y para moler abajo las partículas de pigmento individuales. Ultrasonidos de una manera extremadamente efectiva alternativa para este paso en la fabricación de recubrimientos.

La imagen de la derecha (¡Haga clic para ampliar!) muestra el impacto de la sonicación sobre el tamaño de un pigmento con brillo perla. El ultrasonido muele las partículas de pigmento individuales mediante colisión interparticular a alta velocidad. La ventaja destacada del

Ultrasonic processing over high speed mixers, media mills is the more consistent processing of all particles. This reduces the problem of "tailing". As it can be seen on the picture, the distribution curves are almost shifted to the left. Generally, ultrasonication does produce extremely estrecha distribución de tamaño de partícula (curvas de molienda de pigmento). Esto mejora la calidad general de las dispersiones de pigmentos, como partículas más grandes generalmente interfieren con la capacidad de procesamiento, brillo, resistencia y apariencia óptica.

Desde la partícula pulverización y la molienda se basa en colisión entre partículas como resultado de cavitación ultrasónica, Reactores de ultrasonidos pueden manejar bastante concentraciones de sólidos elevadas (por ejemplo mezclas madre) y aún producen buenos efectos de reducción de tamaño. En el cuadro siguiente se muestran imágenes de la molienda húmeda de TiO2 (¡Haga clic en las imágenes para ampliarlas!).

antes

sonicación
después

sonicación

TiO2 de molino de bolas

TiO secado por atomización2

La imagen a la derecha (Instrucciones para ampliarla!) Muestra las curvas de distribución de tamaño de partícula para la desaglomeración de Degussa dióxido de titanio anatasa mediante ultrasonicación. La forma estrecha de la curva después de la sonicación es una característica típica de procesamiento ultrasónico.

Los materiales de tamaño nanométrico en revestimientos de alto rendimiento

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

La molienda húmeda de componentes de alto rendimiento a escala nanométrica se convierte en un paso crucial en la formulación de recubrimientos nanoingeniería. Cualquier partícula que interfieren con la luz visible, causan turbidez y la pérdida de transparencia. Por lo tanto, se requieren distribuciones de tamaño muy estrecha. Ultrasonidos es un medio muy eficaz para la molienda fina de sólidos. cavitación ultrasónica en líquidos provoca colisiones entre las partículas de alta velocidad. Diferente de molinos de perlas convencionales y molinos de guijarros, las propias partículas están de trituración entre sí, haciendo que los medios de molienda innecesario.

Empresas como Panadur (Alemania) utilizan los dispositivos de ultrasonidos Hielscher para dispersar y desaglomerar nanomateriales para revestimientos en molde. Haga clic aquí para leer más sobre esto.

Para la sonicación de líquidos inflamables o disolventes en entornos peligrosos, dispositivos con certificación FM y ATEX como el UIP1000-Exd están disponibles.

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Referencias

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, in: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Behrend, O., Schubert, H. (2001): Influence of hydrostatic pressure and gas content on continuous ultrasound emulsification, in: Ultrasonics Sonochemistry 8 (2001) 271-276.

Landfester, K. (2001): The Generation of Nanoparticles in Miniemulsions; in: Advanced Materials 2001, 13, No 10, May17th. Wiley-VCH.

Hielscher, T. (2005): Ultrasonic Production of Nano-Size Dispersions and Emulsions, in: Proceedings of European Nanosystems Conference ENS’05.