Formulaciones adhesivas de alto rendimiento – Mejora por dispersión ultrasónica

Los adhesivos de alto rendimiento se componen de sistemas epoxi, de silicona, de poliuretano, de polisulfuro o de acrílico que contienen varias (nano)cargas y aditivos, que dan al adhesivo un rendimiento especial, como fuerza de adhesión, peso ligero, durabilidad, resistencia al calor y sostenibilidad. Para formular adhesivos de alto rendimiento se requiere una mezcla eficiente y fiable. La dispersión y emulsión por ultrasonidos se utiliza para combinar varios componentes de manera uniforme en mezclas de adhesivos homogéneas. La sonicación en línea mezcla incluso materiales de alta viscosidad y altas cargas de nanorelleno de forma fiable y eficaz produciendo adhesivos superiores.

Fuerzas ultrasónicas de alto cizallamiento para la dispersión de adhesivos de alto rendimiento

Los adhesivos de alto rendimiento ofrecen una extraordinaria fuerza de unión, durabilidad y ligereza. En función de la aplicación final, se formulan polímeros, copolímeros y aditivos múltiples siguiendo recetas elaboradas.

La molienda y dispersión por ultrasonidos es un método muy eficaz para la reducción del tamaño de las partículas, por ejemplo, el hidruro de magnesio

La molienda húmeda y la dispersión por ultrasonidos es un método muy eficaz para la reducción del tamaño de las partículas, por ejemplo, de TiO2 y otras nanopartículas

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Sistema industrial de dispersión por ultrasonidos con 16kW para el procesamiento continuo en línea de adhesivos, polímeros, revestimientos y resinas de alto rendimiento.

MultiSonoReactor con 4x 4kW para aplicaciones de potencia ultrasónica como la producción de adhesivos nanorreforzados.

La producción de adhesivos y colas de alto rendimiento se beneficia considerablemente de la dispersión por ultrasonidos. La sonicación incorpora los nanorellenos y los aditivos de manera uniforme en las matrices poliméricas.Los sistemas de epoxi, silicona, poliuretano y acrílico para adhesivos y colas son producidos por los formuladores, que modifican la base del adhesivo añadiendo tactos, cargas minerales (talco, sílice, alúmina, etc.), flexibilizadores, reductores de viscosidad, colorantes, espesantes, aceleradores, promotores de la adhesión, etc. Estas modificaciones sirven para varios propósitos, como mejorar el rendimiento y/o la comodidad de procesamiento o reducir los costes. Los dispersores ultrasónicos de alto cizallamiento son ideales para formular diferentes sistemas epoxídicos en línea y permiten la producción flexible de adhesivos adaptados a los requisitos de aplicaciones concretas.

Mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento para aplicaciones de dispersión y emulsión exigentes

Los procesadores ultrasónicos de alto rendimiento funcionan como mezcladores de alto cizallamiento. Las fuerzas de alto cizallamiento extremas son generadas por la cavitación ultrasónica/acústica y son ideales para aplicaciones de emulsión, dispersión, molienda, desaglomeración y homogeneización por lotes y en línea. Los dispersores ultrasónicos en línea permiten procesar fácilmente concentraciones de sólidos de bajas a altas y viscosidades.

Mezcla ultrasónica de alto cizallamiento de nanomateriales en adhesivos

La dispersión por ultrasonidos es una técnica bien establecida para dispersar nanopartículas y nanotubos en polímeros, por ejemplo, en adhesivos de alto rendimiento. El homogeneizador ultrasónico UP400St es un potente dispositivo para la dispersión de nanorrellenos.Los nanomateriales, como los nanotubos de carbono (CNT), las nanopartículas metálicas, la nanosílice, las nanoarcillas, las nanofibras y muchas otras partículas de tamaño nanométrico, se utilizan para producir polímeros nanoreforzados (nanocompuestos). Las nanopartículas son bien conocidas por su capacidad de alterar las propiedades mecánicas (por ejemplo, la rigidez, la elasticidad), las propiedades eléctricas (por ejemplo, la conductividad), las propiedades funcionales (por ejemplo, la permeabilidad, la temperatura de transición vítrea, el módulo) y el rendimiento de fractura de los adhesivos de polímeros termoestables. Los nanomateriales no sólo aportan propiedades especiales de alto rendimiento, como la fuerza de adhesión, la durabilidad, la conductividad, la elasticidad o la resistencia al calor; la adición de partículas nanoestructuradas también puede mejorar las propiedades de barrera de los polímeros.
Las fuerzas de alto cizallamiento de la cavitación acústica generada por ultrasonidos son bien conocidas por su capacidad para desaglomerar y dispersar nanopartículas e incluso para romper partículas primarias (es decir, la molienda por ultrasonidos). Cuando estas fuerzas ultrasónicas se aplican a sistemas poliméricos que contienen nanopartículas y otras cargas, se obtiene una formulación muy uniforme. La dispersión por ultrasonidos es un método eficiente desde el punto de vista energético que muestra un menor consumo de energía en comparación con los métodos convencionales de mezcla por cizallamiento, como los mezcladores de cuchillas de alto cizallamiento, los mezcladores de impulsores o los molinos.

Ventajas de los adhesivos formulados por ultrasonidos

  • Dispersión fiable y eficaz
  • Rendimiento global de mezcla superior
  • Mezcla rápida
  • de alto rendimiento
  • Nano-refuerzo
  • Desgasificación
  • Aumento de la fuerza de adhesión
  • Fácilmente capaz de procesar altas viscosidades
  • lote y en línea
  • Pruebas de formulación sin riesgo
  • aumento lineal a gran escala de producción industrial
  • Eficiencia energética

Kaboori et al. (2013) demostraron que la ultrasonicación es un método eficaz para dispersar estructuras estratificadas de montmorillonita (MMT) y desarrollar adhesivos de PVA reforzados con MMT. La ultrasonicación demostró ser fiable y eficiente en la dispersión de nanoarcillas en PVA con cargas bajas (1% y 2%) y altas (4%).
El equipo de investigación descubrió que "la técnica de ultrasonidos es muy eficaz para dispersar las nanoarcillas, especialmente a altas cargas, al contrario que el mezclador de alta velocidad de cizallamiento. La mezcla de alta velocidad sólo podía dispersar la nanoarcilla en el PVA a bajas cargas y aumentaba la fuerza de adhesión del PVA en diferentes condiciones. El mezclado a alta velocidad tiene algunas desventajas: posible daño a la emulsión de PVA (debido a la fuerte fuerza de cizallamiento utilizada durante el mezclado), alto coste y alto consumo de energía. En cambio, la técnica de ultrasonidos tiene un impacto negativo mínimo en la emulsión de PVA. Además, la técnica de ultrasonidos es económica, ya que la mezcla por ultrasonidos puede realizarse antes de la producción de PVA y la solución que contiene nanoarcilla puede añadirse al PVA durante el proceso de producción. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en este artículo y en nuestro trabajo anterior y considerando las ventajas de la técnica de ultrasonidos sobre la mezcla a alta velocidad, la adición de nanoarcilla al PVA a escala industrial parece factible y puede recomendarse a los fabricantes de adhesivos para madera". (Kaboori et al., 2013)

La mezcla y dispersión por ultrasonidos de alto cizallamiento se utiliza para incorporar nanorellenos en matrices poliméricas, por ejemplo, para la producción de adhesivos de alto rendimiento

Comparación de diferentes nanorellenos dispersados en el endurecedor (ultrasonido-US): (a) 0,5 wt% nanofibra de carbono (CNF); (b) 0,5 wt% CNT oxidado

Estudio y foto: Zanghellini et al., 2021

Efectos de la desgasificación ultrasónica en la producción de adhesivos

Una ventaja adicional de la sonicación, que mejora notablemente los resultados de la formulación, es el efecto de desgasificación del tratamiento ultrasónico. La agitación mecánica de alta velocidad (por ejemplo, los mezcladores de cuchillas de alto cizallamiento) produce un gran número de burbujas de gas en la mezcla, que en algunos casos podrían incluso notarse debido al color brillante de la mezcla. La mezcla ultrasónica de alto cizallamiento tiene la enorme ventaja de que la técnica de sonicación no incorpora gases a la formulación del adhesivo, sino que las ondas ultrasónicas obligan a las burbujas de gas ya presentes a unirse y a flotar en la superficie del líquido, de donde el gas puede eliminarse fácilmente. De este modo, la ultrasonicación favorece la desgasificación y la desaireación de los líquidos y las formulaciones adhesivas. (cp. Shadlou et al., 2014)

La desagregación y la dispersión del polvo negro de carbón en el agua puede lograrse con éxito mediante la ultrasonificación de alto rendimiento. El video muestra al Hielscher UP200St (200W, 26kHz) dispersando partículas de negro de carbón en el agua. Tween 80 se utiliza como estabilizador / surfactante para obtener una suspensión estable a largo plazo de tamaño nano.

Ultrasonido UP200St (200W) dispersando negro de humo en el agua usando 1%wt de Tween80 como surfactante

 

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Dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para formulaciones de adhesivos industriales

Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye dispersores de ultrasonidos de alto rendimiento para aplicaciones pesadas como la fabricación de adhesivos de alto rendimiento, resinas de alto relleno y nanocompuestos. Los ultrasonidos de Hielscher se utilizan en todo el mundo para dispersar nanomateriales en polímeros, resinas, revestimientos y otros materiales de alto rendimiento.
Dispersor industrial ultrasónico para la mezcla de alto cizallamiento de nanorellenos en formulaciones adhesivas.Los dispersores ultrasónicos de Hielscher pueden alimentarse a través de varias corrientes de alimentación que añaden diversos materiales en condiciones de flujo controladas en la zona de mezcla cavitacional. Los dispersores ultrasónicos son fiables y eficaces en el procesamiento de viscosidades bajas y altas. Dependiendo de las materias primas y del objetivo de reducción de tamaño, la intensidad de los ultrasonidos puede ajustarse con precisión.
Para procesar pastas poliméricas viscosas, nanomateriales y altas concentraciones de sólidos, el dispersor ultrasónico debe ser capaz de producir continuamente altas amplitudes. Hielscher Ultrasonics’ Los procesadores ultrasónicos industriales pueden ofrecer amplitudes muy elevadas en funcionamiento continuo a plena carga. Pueden funcionar fácilmente amplitudes de hasta 200µm en funcionamiento continuo. La opción de operar un dispersor ultrasónico a altas amplitudes y de ajustar la amplitud con precisión es necesaria para adaptar las condiciones del proceso ultrasónico a la formulación de adhesivos de alto rendimiento, mezclas de polímeros nanorreforzados y nanocompuestos.
Además de la amplitud de los ultrasonidos, la presión es otro parámetro muy importante del proceso. Bajo presiones elevadas, la intensidad de la cavitación ultrasónica y sus fuerzas de cizallamiento se intensifican. Los reactores de ultrasonidos de Hielscher pueden presurizarse, obteniendo así resultados de sonicación intensificados.
La supervisión del proceso y el registro de datos son importantes para la normalización continua del proceso y la calidad del producto. Los sensores de presión y temperatura enchufables se conectan al generador de ultrasonidos para supervisar y controlar el proceso de dispersión por ultrasonidos. Todos los parámetros importantes del proceso, como la energía ultrasónica (neta + total), la temperatura, la presión y el tiempo, se protocolizan automáticamente y se almacenan en una tarjeta SD integrada. Al acceder a los datos del proceso registrados automáticamente, se pueden revisar las ejecuciones de sonicación anteriores y evaluar los resultados del proceso.
Otra función de fácil manejo es el control remoto por navegador de nuestros sistemas digitales de ultrasonidos. A través del control remoto del navegador puede iniciar, detener, ajustar y supervisar su procesador de ultrasonidos a distancia desde cualquier lugar.
Póngase en contacto con nosotros para obtener más información sobre nuestros dispersores ultrasónicos de alto rendimiento y sus aplicaciones en la producción de adhesivos y revestimientos de alto rendimiento.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Los homogeneizadores de alto cizallamiento por ultrasonidos se utilizan en el laboratorio, en la mesa de trabajo, en los procesos piloto y en la industria.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



Literatura / Referencias

Información interesante

Adhesivos y colas de alto rendimiento

Los adhesivos, colas y supercolas de alto rendimiento se utilizan en múltiples industrias. Una ventaja importante de los adhesivos de alto rendimiento es su extraordinaria fuerza de adhesión y su ligereza. Los adhesivos de alto rendimiento se utilizan ampliamente en la construcción, el sector automovilístico y aeroespacial, la fabricación de equipos médicos, los productos básicos y el calzado, entre otros muchos bienes.
Los polímeros son el material base utilizado en los adhesivos. Los polímeros más utilizados son los poliésteres, los copoliésteres, los elastómeros de copoliamida, los polioles y el poliuretano (PU).
Para cada industria y aplicación, existen adhesivos especiales con propiedades adaptadas. Por ejemplo, los sistemas de adhesivos de laminación con base de agua se utilizan a menudo para el envasado de alimentos, mientras que los adhesivos de alto rendimiento con base de poliuretano termoplástico se aplican ampliamente en el calzado. En función de la tecnología de formulación, los adhesivos de alto rendimiento pueden dividirse en cuatro segmentos principales: base de disolvente, base de agua, fusión en caliente y curado por UV. La dispersión ultrasónica y la emulsión se utilizan en la producción de todos estos tipos de adhesivos de alto rendimiento.


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.