Cómo mezclar barnices con nanocargas

La producción de barnices requiere equipos de mezclado potentes capaces de procesar nanopartículas y pigmentos, que deben dispersarse uniformemente en la formulación. Los homogeneizadores ultrasónicos constituyen una técnica de dispersión muy eficiente y fiable que permite distribuir las nanopartículas de forma homogénea en los polímeros.

Producción de barnices con mezcladores ultrasónicos de alto rendimiento

Un barniz se define como un recubrimiento o una película protectora dura, clara y transparente, formulada a partir de resinas (p. ej., acrílicas, poliuretánicas, alquídicas o goma laca), aceite secante, un secante metálico y disolventes volátiles (p. ej., nafta, aguarrás mineral o diluyente). Cuando el barniz se seca, el disolvente que contiene se evapora y los componentes restantes se oxidan o polimerizan para formar una película transparente y duradera. Los barnices se utilizan principalmente como recubrimientos protectores para superficies de madera, pinturas y diversos objetos decorativos, mientras que los barnices de curado UV se utilizan en recubrimientos para automóviles, cosmética, alimentación, ciencia y otros sectores.

Dispersión ultrasónica de nanosílice en barniz

Un ejemplo habitual de dispersión ultrasónica es la incorporación de sílices coloidales, que suelen añadirse para conferir propiedades tixotrópicas a los barnices.
Por ejemplo, un barniz de polieterimida con carga de nanosílice presenta una vida útil hasta treinta veces mayor que la de un barniz estándar. La nanosílice mejora propiedades del barniz como su conductividad eléctrica, su rigidez dieléctrica en corriente continua y alterna y su resistencia de adhesión. Por ello, los dispersores ultrasónicos se utilizan ampliamente para producir recubrimientos eléctricamente conductores.
Otros minerales silicatados, como la wollastonita, el talco, la mica, el caolín, el feldespato y la sienita nefelínica, son cargas económicas y se utilizan ampliamente como los llamados pigmentos extendedores, que se añaden para modificar la reología (viscosidad), la estabilidad frente a la sedimentación y la resistencia de la película en los recubrimientos.

Superioridad de los sonicadores para la dispersión de nanocargas demostrada por la investigación

Monteiro et al. (2014) compararon tecnologías de dispersión habituales –concretamente, el mezclador rotor-estator, el impulsor Cowles y el dispersor ultrasónico de tipo sonda– en cuanto a su eficiencia para dispersar dióxido de titanio (TiO2, anatasa). La sonicación resultó ser la técnica más eficiente para dispersar las nanopartículas en agua utilizando el polielectrolito convencional Na-PAA y superó considerablemente al mezclado con un rotor-estator o un impulsor Cowles.
Detalles del estudio: Se compararon distintas técnicas de dispersión para identificar la más eficaz para obtener una suspensión acuosa de nano-TiO2 bien desaglomerada. Se utilizó como dispersante de referencia la sal sódica del ácido poliacrílico (Na-PAA), empleada habitualmente en la industria para las dispersiones acuosas de TiO2. La Fig. 1 muestra las distribuciones del tamaño de partícula en volumen (PSD) obtenidas con un dispersor Cowles (30 min a 2000 rpm), un mezclador rotor-estator (30 min a 14.000 rpm) y sonicación de tipo sonda (Hielscher UIP1000hdT, 2 min al 50% de amplitud). «Con el dispersor Cowles, los tamaños de las partículas se situaron en tres intervalos distintos: 40–100 nm, 350–1000 nm y 1200–4000 nm. Los aglomerados de mayor tamaño dominan claramente la distribución, lo que demuestra que esta técnica es ineficiente. El rotor-estator también proporcionó resultados insatisfactorios, independientemente de que las nanopartículas se añadieran de una sola vez o gradualmente durante el mezclado. La principal diferencia observada respecto al resultado de Cowles está relacionada con el desplazamiento del pico central hacia un tamaño de partícula mayor, fusionándose parcialmente con el pico situado más a la derecha. Por otra parte, el uso de ultrasonidos produjo un resultado mucho mejor, con un pico estrecho centrado en 0,1 nm y otros dos mucho menores en los intervalos de 150–280 nm y 380–800 nm.»

Distribuciones del tamaño de partícula de dispersiones acuosas de nano-TiO2 (10mgmL−1, pH = 9) preparadas mediante distintas técnicas de dispersión. La sonicación proporciona las nanopartículas de TiO2 más pequeñas y las curvas de reducción del tamaño de partícula más estrechas. Cuando se utilizó dispersante (Na-PAA), la proporción respecto al nano-TiO2 fue de 1:1.
(estudio y gráfico: © Monteiro et al., 2014)

TiO2 secado por atomización antes y después de la molienda ultrasónica

Este resultado concuerda con el trabajo de Sato et al. (2008), que indica mejores resultados con la sonicación que con otras técnicas para dispersar partículas nanométricas de TiO2 en agua. Las ondas de choque generadas por la cavitación acústica / ultrasónica provocan colisiones muy intensas entre partículas y una molienda y desaglomeración eficientes de las partículas hasta obtener fragmentos uniformes de escala nanométrica.
(cf. Monteiro et al., 2014)

Homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para la producción de barnices

Cuando se utilizan nanopartículas y nanocargas en procesos de fabricación industrial, como la producción de barnices y recubrimientos, el polvo seco debe mezclarse de forma homogénea en una fase líquida. La dispersión de nanopartículas requiere una técnica de mezclado fiable y eficaz que aporte suficiente energía para romper los aglomerados y aprovechar las propiedades de las partículas de escala nanométrica. Los sonicadores son bien conocidos como dispersores potentes y fiables; por ello, se utilizan para desaglomerar y distribuir homogéneamente materiales como sílice, nanotubos, grafeno, minerales y muchos otros en una fase líquida, como resinas, resinas epoxi y concentrados de pigmentos. Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para todo tipo de aplicaciones de homogeneización y desaglomeración.
En la producción de nanodispersiones, el control preciso de la sonicación y un tratamiento ultrasónico fiable de la suspensión de nanopartículas son esenciales para obtener productos de alto rendimiento. Los procesadores de Hielscher Ultrasonics permiten controlar por completo todos los parámetros importantes del proceso, como el aporte de energía, la intensidad ultrasónica, la amplitud, la presión, la temperatura y el tiempo de retención. Así, puede ajustar los parámetros a las condiciones óptimas y obtener nanodispersiones de alta calidad, como suspensiones de nanosílice o nano-TiO2.

Para cualquier volumen / capacidad: Hielscher ofrece sonicadores y una amplia gama de accesorios. Esto permite configurar el sistema ultrasónico ideal para su aplicación y capacidad de producción. Desde pequeños viales que contienen unos pocos mililitros hasta caudales elevados de miles de galones por hora, Hielscher ofrece la solución ultrasónica adecuada para su proceso.
Viscosidades elevadas: Los sistemas ultrasónicos en línea procesan fácilmente formulaciones de consistencia pastosa, como los concentrados de pigmentos, en los que un pigmento con una alta carga de partículas se mezcla uniformemente en una mezcla de plastificante, monómero y polímero.
Robustez: Nuestros sistemas ultrasónicos son robustos y fiables. Todos los sonicadores Hielscher están diseñados para funcionar 24/7/365 y requieren muy poco mantenimiento.
Facilidad de uso: El software avanzado de nuestros equipos ultrasónicos permite preseleccionar y guardar los ajustes de sonicación para realizar una sonicación sencilla y fiable. El menú intuitivo es fácilmente accesible mediante una pantalla táctil digital en color. El control remoto mediante navegador permite manejar y supervisar el equipo desde cualquier navegador de Internet. El registro automático de datos guarda los parámetros del proceso de cada ejecución de sonicación en una tarjeta SD integrada.
Excelente eficiencia energética: En comparación con otras tecnologías de dispersión, los sonicadores Hielscher destacan por su excelente eficiencia energética y sus resultados superiores en la distribución del tamaño de partícula.
Alta calidad y robustez: Los sonicadores Hielscher son reconocidos por su calidad, fiabilidad y robustez. Hielscher Ultrasonics es una empresa certificada según ISO y pone especial énfasis en los sonicadores de alto rendimiento con tecnología de vanguardia y facilidad de uso. Por supuesto, los sonicadores Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores: