Formulaciones adhesivas de alto rendimiento – Mejora por dispersión ultrasónica

Los adhesivos de alto rendimiento se componen de sistemas epoxídicos, de silicona, poliuretano, polisulfuro o acrílicos que contienen diversas (nano)cargas y aditivos que confieren al adhesivo unas prestaciones especiales, como fuerza de adhesión, ligereza, durabilidad, resistencia al calor y sostenibilidad. Para formular adhesivos de alto rendimiento se requiere una mezcla eficaz y fiable. La dispersión y emulsificación por ultrasonidos se utiliza para combinar varios componentes uniformemente en mezclas homogéneas de adhesivos. La sonicación en línea mezcla incluso materiales de alta viscosidad y altas cargas de nanorrelleno 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 reducir el tamaño de las partículas, por ejemplo, hidruro de magnesio

La molienda en húmedo y la dispersión por ultrasonidos son métodos muy eficaces para reducir el tamaño de las partículas, por ejemplo, de TiO2 y otras nanopartículas.

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Sistema industrial de dispersión por ultrasonidos de 16 kW 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 significativamente de la dispersión ultrasónica. La sonicación incorpora nanorrellenos y aditivos de manera uniforme en matrices poliméricas.Los sistemas epoxídicos, silicónicos, poliuretánicos y acrílicos para adhesivos y colas son producidos por formuladores, que modifican la base adhesiva añadiendo agentes adherentes, cargas minerales (talco, sílice, alúmina, etc.), flexibilizantes, reductores de viscosidad, colorantes, espesantes, aceleradores, promotores de la adherencia, etc. Estas modificaciones tienen varias finalidades, como mejorar el rendimiento y/o la comodidad de procesamiento o reducir 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 exigentes de dispersión y emulsión

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

Mezcla ultrasónica de alto cizallamiento de nanomateriales en adhesivos

La dispersión ultrasónica 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 para alterar las propiedades mecánicas (p. ej., rigidez, elasticidad), eléctricas (p. ej., conductividad), funcionales (p. ej., permeabilidad, temperatura de transición vítrea, módulo) y el comportamiento ante la fractura de los adhesivos de polímeros termoestables. Los nanomateriales no sólo aportan propiedades especiales de alto rendimiento, como fuerza de adherencia, durabilidad, conductividad, elasticidad o 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, molienda ultrasónica). Cuando estas fuerzas ultrasónicas se aplican a sistemas poliméricos que contienen nanopartículas y otras cargas, se obtiene una formulación muy uniforme. La dispersión ultrasónica es un método energéticamente eficiente 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.

El vídeo muestra la mezcla y dispersión por ultrasonidos de grafeno en 250 ml de resina epoxi (Toolcraft L), utilizando un homogeneizador por ultrasonidos (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics fabrica equipos para dispersar grafito, grafeno, nanotubos de carbono, nanocables o cargas en el laboratorio o en procesos de producción de gran volumen. Las aplicaciones típicas son la dispersión de nanomateriales y micromateriales durante el proceso de funcionalización o la dispersión en resinas o polímeros.

Mezclar resina epoxi con relleno de grafito utilizando el homogeneizador ultrasónico UP400St (400 vatios)

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Ventajas de los adhesivos formulados por ultrasonidos

  • Dispersión fiable y eficaz
  • Rendimiento global de mezcla superior
  • Mezcla rápida
  • Alto rendimiento
  • nanorefuerzo
  • Desgasificación
  • Mayor fuerza de adherencia
  • Fácilmente capaz de procesar altas viscosidades
  • Por lotes y en línea
  • Pruebas de formulación sin riesgos
  • 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 ultrasónica es muy eficaz para dispersar la nanoarcilla, especialmente con cargas elevadas, al contrario que el mezclador de alta velocidad de cizallamiento". El mezclado a alta velocidad sólo podía dispersar la nanoarcilla en el PVA a bajas cargas y aumentaba la fuerza de adherencia 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 ultrasónica puede realizarse antes de la producción de PVA y la solución que contiene la 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 nanoarcillas 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 nanorrellenos en matrices poliméricas, por ejemplo, para la producción de adhesivos de alto rendimiento.

Comparación de diferentes nanorrellenos dispersos en endurecedor (ultrasonidos-US): (a) 0,5 wt% nanofibra de carbono (CNF); (b) 0,5 wt% CNT oxidado

Estudio e imagen: 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 desgasificador del tratamiento ultrasónico. La agitación mecánica a alta velocidad (por ejemplo, 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. El mezclado ultrasónico de alto cizallamiento tiene la enorme ventaja de que la técnica de sonicación no incorpora gases a la formulación adhesiva, sino que las ondas ultrasónicas fuerzan a las burbujas de gas ya presentes a fusionarse y flotar hacia la superficie del líquido, de donde el gas puede eliminarse fácilmente. De este modo, la ultrasonicación favorece la desgasificación y desaireación de líquidos y formulaciones adhesivas. (cp. Shadlou et al., 2014)

Ultrasonicator UP200St (200W) dispersando negro de carbón en agua usando 1%wt Tween80 como surfactante.

Dispersión ultrasónica de negro de humo con el ultrasonicador UP200St

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Dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para formulaciones de adhesivos industriales

Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones pesadas, como la fabricación de adhesivos de alto rendimiento, resinas altamente rellenadas 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 nanorrellenos en formulaciones adhesivas.Los dispersores ultrasónicos Hielscher pueden alimentarse a través de diversas corrientes de alimentación que añaden diversos materiales en condiciones de flujo controlado a la zona de mezcla cavitacional. Los dispersores ultrasónicos son fiables y eficaces en el procesamiento de viscosidades bajas a altas. Dependiendo de las materias primas y del objetivo de reducción de tamaño, la intensidad ultrasónica 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 Ultrasonidos’ Los procesadores ultrasónicos industriales pueden ofrecer amplitudes muy elevadas en funcionamiento continuo a plena carga. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente en operación 24/7. La opción de hacer funcionar 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 ultrasónica, la presión es otro parámetro muy importante del proceso. Bajo presiones elevadas, se intensifica la intensidad de la cavitación ultrasónica y sus fuerzas de cizallamiento. Los reactores de ultrasonidos de Hielscher pueden presurizarse, con lo que se obtienen resultados de sonicación intensificados.
La supervisión del proceso y el registro de datos son importantes para la estandarización 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, puede 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 ultrasónicos digitales. Mediante el control remoto por navegador, puede iniciar, detener, ajustar y supervisar su procesador ultrasónico 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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En este vídeo le mostramos un sistema de ultrasonidos de 2 kilovatios para funcionamiento en línea en una cabina purgable. Hielscher suministra equipos de ultrasonidos a casi todas las industrias, como la química, farmacéutica, cosmética, petroquímica, así como para procesos de extracción basados en 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 que entren en ella gases o vapores inflamables.

2x Ultrasonicadores de 1000 vatios en armario purgable para instalación en zonas peligrosas

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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en procesos de laboratorio, de sobremesa, piloto e industriales.

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 unión y su ligereza. Los adhesivos de alto rendimiento se utilizan ampliamente en la construcción, el sector automovilístico y aeroespacial, la fabricación de equipos médicos, productos básicos y calzado, entre otros muchos bienes.
Los polímeros son el material base de 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 adhesivos de laminación de base acuosa se utilizan a menudo para el envasado de alimentos, mientras que los adhesivos de alto rendimiento de poliuretano termoplástico se aplican ampliamente en el calzado. Según la tecnología de formulación, los adhesivos de altas prestaciones pueden dividirse en cuatro segmentos principales: base disolvente, base agua, hot melt y curado por UV. La dispersión ultrasónica y la emulsificación 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 ultrasonicador 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.


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