Formulaciones de adhesivos de alto rendimiento – Mejoradas mediante dispersión ultrasónica

Los adhesivos de alto rendimiento se componen de sistemas epoxi, de silicona, poliuretano, polisulfuro o acrílicos que contienen diversas cargas y nanocargas, así como aditivos, que confieren al adhesivo propiedades especiales como resistencia de unión, ligereza, durabilidad, resistencia al calor y sostenibilidad. Para formular adhesivos de alto rendimiento se requiere una mezcla eficiente y fiable. La dispersión y la emulsificación ultrasónicas se utilizan para combinar uniformemente diversos componentes en mezclas adhesivas homogéneas. La sonicación en línea mezcla de forma fiable y eficaz incluso materiales de alta viscosidad y formulaciones con un elevado contenido de nanocargas, produciendo adhesivos de calidad superior.

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

Los adhesivos de alto rendimiento ofrecen una resistencia de unión, una durabilidad y una ligereza extraordinarias. Según la aplicación final, se formulan polímeros, copolímeros y múltiples aditivos siguiendo recetas elaboradas.

Los formuladores producen sistemas epoxi, de silicona, poliuretano y acrílicos para adhesivos y colas, modificando la base adhesiva mediante la adición de agentes que aumentan la pegajosidad, cargas minerales (talco, sílice, alúmina, etc.), flexibilizantes, reductores de viscosidad, colorantes, espesantes, aceleradores, promotores de adhesión, etc. Estas modificaciones tienen diversos objetivos, como mejorar el rendimiento y/o facilitar el procesamiento o reducir los costes. Los dispersores ultrasónicos de alto cizallamiento son ideales para formular distintos sistemas epoxi en línea y permiten producir de forma flexible adhesivos adaptados a los requisitos de aplicaciones específicas.

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

Los procesadores ultrasónicos de alto rendimiento funcionan como mezcladores de alto cizallamiento. Las fuerzas de cizallamiento extremadamente elevadas se generan mediante 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 materiales con concentraciones de sólidos y viscosidades de bajas a altas.

Mezcla ultrasónica de alto cizallamiento de nanomateriales en adhesivos

Los nanomateriales, como los nanotubos de carbono (CNTs), las nanopartículas metálicas, la nanosílice, las nanoarcillas, las nanofibras y muchas otras partículas de tamaño nanométrico, se utilizan para producir polímeros reforzados con nanomateriales (nanocompuestos). Las nanopartículas son conocidas por su capacidad para modificar las propiedades mecánicas (p. ej., rigidez, elasticidad), las propiedades eléctricas (p. ej., conductividad), las propiedades funcionales (p. ej., permeabilidad, temperatura de transición vítrea, módulo) y el comportamiento frente a la fractura de los adhesivos poliméricos termoestables. Los nanomateriales no solo confieren propiedades especiales de alto rendimiento, como resistencia de unión, durabilidad, conduciveness, 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 conocidas por su capacidad para desaglomerar y dispersar nanopartículas e incluso romper partículas primarias (es decir, realizar una 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 consume menos energía que 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 ultrasónicas de grafito en 250mL de resina epoxi (Toolcraft L) con un homogeneizador ultrasónico (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics fabrica equipos para dispersar grafito, grafeno, nanotubos de carbono, nanohilos o cargas en el laboratorio o en procesos de producción de gran volumen. Las aplicaciones habituales son la dispersión de nanomateriales y micromateriales durante el proceso de funcionalización o su dispersión en resinas o polímeros.

Kaboori et al. (2013) demostraron que la sonicación es un método eficaz para dispersar estructuras laminares de montmorillonita (MMT) y desarrollar adhesivos de PVA reforzados con MMT. Se demostró que la sonicación es fiable y eficiente para dispersar nanoarcilla en PVA con contenidos bajos (1% y 2%) y altos (4%).
El equipo de investigación constató que la «técnica ultrasónica es muy eficiente para dispersar nanoarcilla, especialmente con contenidos altos, a diferencia del mezclador de alta velocidad y alto cizallamiento. La mezcla a alta velocidad solo pudo dispersar nanoarcilla en el PVA con contenidos bajos y aumentó la resistencia de unión del PVA en distintas condiciones. La mezcla a alta velocidad presenta algunas desventajas: posibles daños en la emulsión de PVA (debido a la elevada fuerza de cizallamiento utilizada durante la mezcla), costes elevados y alto consumo energético. En cambio, la técnica de sonicación tiene un impacto negativo mínimo sobre la emulsión de PVA. Además, la técnica de sonicación es económica, ya que la mezcla ultrasónica podría realizarse antes de la producción del 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, así como las ventajas de la técnica de sonicación frente a la mezcla a alta velocidad, la adición de nanoarcilla al PVA a escala industrial parece viable y puede recomendarse a los fabricantes de adhesivos para madera». (Kaboori et al., 2013)

Efectos de la desgasificación ultrasónica en la producción de adhesivos

Una ventaja adicional de la sonicación, que mejora considerablemente los resultados de la formulación, es el efecto de desgasificación del tratamiento ultrasónico. La agitación mecánica a alta velocidad (p. ej., con mezcladores de cuchillas de alto cizallamiento) produce una gran cantidad de burbujas de gas en la mezcla, que en algunos casos pueden apreciarse incluso por el aclaramiento del color de la mezcla. La mezcla ultrasónica de alto cizallamiento tiene la gran ventaja de que la técnica de sonicación no incorpora gases en la formulación adhesiva; en cambio, las ondas ultrasónicas hacen que las burbujas de gas ya presentes coalescan y asciendan a la superficie del líquido, desde donde el gas puede eliminarse fácilmente. De este modo, la sonicación favorece la desgasificación y la desaireación de líquidos y formulaciones adhesivas. (véase Shadlou et al., 2014)

Dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para formulaciones industriales de adhesivos

Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones exigentes, como la fabricación de adhesivos de alto rendimiento, resinas con un elevado contenido de cargas y nanocompuestos. Los sonicadores de Hielscher se utilizan en todo el mundo para dispersar nanomateriales en polímeros, resinas, recubrimientos y otros materiales de alto rendimiento.
Los dispersores ultrasónicos de Hielscher pueden alimentarse mediante varias corrientes que incorporan distintos materiales a la zona de mezcla por cavitación en condiciones de caudal controladas. Los dispersores ultrasónicos son fiables y eficientes para procesar materiales con viscosidades de bajas a altas. La intensidad ultrasónica puede ajustarse con precisión en función de las materias primas y del objetivo de reducción de tamaño.
Para procesar pastas poliméricas viscosas, nanomateriales y materiales con altas concentraciones de sólidos, el dispersor ultrasónico debe ser capaz de generar amplitudes elevadas de forma continua. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas en funcionamiento continuo a plena carga. Pueden mantener fácilmente amplitudes de hasta 200 µm en funcionamiento 24/7. La posibilidad de utilizar un dispersor ultrasónico a amplitudes elevadas 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 poliméricas reforzadas con nanomateriales y nanocompuestos.
Además de la amplitud ultrasónica, la presión es otro parámetro de proceso muy importante. A presiones elevadas, se intensifican la cavitación ultrasónica y sus fuerzas de cizallamiento. Los reactores ultrasónicos de Hielscher pueden presurizarse, lo que permite obtener resultados de sonicación más intensos.
La supervisión del proceso y el registro de datos son importantes para la estandarización continua del proceso y la calidad del producto. Los sensores enchufables de presión y temperatura se conectan por cable al generador ultrasónico para supervisar y controlar el proceso de dispersión ultrasónica. Todos los parámetros de procesamiento importantes, como la energía ultrasónica (neta + total), la temperatura, la presión y el tiempo, se registran automáticamente y se almacenan en una tarjeta SD integrada. El acceso a los datos de proceso registrados automáticamente permite revisar tratamientos de sonicación anteriores y evaluar los resultados del proceso.
Otra función que facilita el uso es el control remoto de nuestros sistemas ultrasónicos digitales mediante un navegador. Con el control remoto mediante 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 recubrimientos de alto rendimiento!
La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

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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.