Ultrasonidos para la dispersión y la molienda: pinturas y pigmentos

Los ultrasonidos de potencia son conocidos por sus intensos efectos de molienda y dispersión, que pueden controlarse con precisión. Esto hace que los homogeneizadores ultrasónicos sean ideales para producir pastas de pigmentos y formulaciones de pintura. Los sonicadores industriales proporcionan una distribución muy uniforme del tamaño de partícula en los intervalos micrométrico y nanométrico. ¡Procese flujos de gran volumen y alta viscosidad con los sonicadores Hielscher para lograr una humectación, dispersión, desaglomeración y molienda homogéneas!

Fabricación de pinturas con ultrasonidos

Mejore sus pinturas, colores y recubrimientos mediante sonicación:

• Formulación: Ya se trate de altas viscosidades, elevadas cargas de partículas o sistemas acuosos o basados en disolventes – con los sonicadores industriales en línea de Hielscher puede procesar cualquier formulación.
• Tamaños micrométricos y nanométricos: Las elevadas fuerzas de cizallamiento generadas por la cavitación acústica reducen las partículas a diámetros diminutos y proporcionan una dispersión uniforme. Ajustar los parámetros de sonicación a los requisitos de sus partículas y formulaciones permite producir de forma fiable pigmentos de tamaño nanométrico.
• Propiedades ópticas: Para obtener las propiedades ópticas adecuadas, es necesario controlar el tamaño de las partículas de pigmento. Por lo general, la opacidad se correlaciona con el tamaño de partícula: cuanto menor es el tamaño de partícula, mayor es la opacidad. Por ejemplo, el TiO2 se procesa específicamente hasta alcanzar un tamaño de partícula de 0,20 a 0,3 micras, aproximadamente equivalente a la mitad de la longitud de onda de la luz. La sonicación reduce los pigmentos de TiO2 a su tamaño óptimo, de modo que se obtiene el máximo poder cubriente.
• Partículas de alto rendimiento: Los tamaños de partícula más pequeños dan lugar a una mayor saturación del color, uniformidad cromática y estabilidad. Las intensas fuerzas ultrasónicas, que pueden controlarse con precisión, permiten producir nanopartículas modificadas y funcionalizadas, como partículas recubiertas, SWNTs, MWCNTs y partículas de núcleo y envoltura. Estas partículas presentan características únicas y elevan las formulaciones de pinturas o recubrimientos a un nuevo nivel de calidad y funcionalidad (p. ej., resistencia a los UV, resistencia al rayado, resistencia mecánica, adhesividad, alta resistencia térmica y reflectividad infrarroja y solar).
• Partículas modificadas: Los pigmentos con la superficie modificada presentan una viscosidad muy baja con cargas elevadas de pigmento (2,5 cP con un 10% de sólidos), una estabilidad de suspensión superior y una alta pureza. La funcionalización de partículas asistida por ultrasonidos facilita la síntesis de pigmentos de alto rendimiento con características especiales.

Las pastas de pigmentos molidas y dispersadas mediante cavitación ultrasónica y elevadas fuerzas de cizallamiento presentan una reducción significativa del tamaño y una distribución uniforme. El gráfico anterior muestra cómo aumenta la reducción del tamaño al aumentar la energía ultrasónica.

Para producir pintura, los componentes, como pigmentos, aglutinantes/ formadores de película, diluyentes/ disolventes, resinas, cargas y aditivos, deben mezclarse hasta obtener una formulación homogénea. Los pigmentos son el componente determinante que aporta el color a la pintura. El pigmento blanco más importante es el TiO2, que debe molerse hasta alcanzar un tamaño de partícula óptimo de entre 0,2 y 0,3 micras de diámetro para presentar el grado deseado de blancura, brillo y opacidad, así como un índice de refracción muy alto. Las fuerzas de cizallamiento ultrasónicas proporcionan una desaglomeración y dispersión de las partículas de TiO2 muy eficaces y eficientes desde el punto de vista energético (véase la imagen siguiente).

TEM de una suspensión de nanopartículas de TiO2 dispersadas por ultrasonidos con diferentes concentraciones de sólidos. La sonicación se realizó con el sonicador UIP1000hdT
Izquierda: aporte de energía ultrasónica 1,8 × 10⁵ J/L – Derecha: aporte de energía ultrasónica 5,4 × 10⁵ J/L
(Estudio e imágenes: ©Fasaki et al., 2012)

 
La molienda y la dispersión ultrasónicas mejoran la calidad de la pintura al mejorar su poder colorante, densidad, finura de molienda, dispersión y propiedades reológicas.

Condiciones de dispersión y molienda ultrasónicas

La calidad de las pinturas y los recubrimientos depende de la dispersión homogénea de los pigmentos. Hielscher Ultrasonics suministra equipos eficaces de molienda y trituración para la dispersión de pinturas, especialmente para formulaciones con altas cargas de pigmento. El mecanismo de los dispersores ultrasónicos en aplicaciones de molienda, trituración, desaglomeración y dispersión se basa principalmente en el principio de cizallamiento generado por la cavitación ultrasónica. Las fuerzas de cizallamiento por cavitación necesarias para separar las partículas se producen por grandes diferencias de presión, puntos calientes locales y chorros de líquido, lo que provoca la fragmentación de las partículas por colisiones entre ellas.
Los dispersores ultrasónicos industriales, como el UIP16000hdT con 16.000 vatios por sonda ultrasónica, tienen capacidad para procesar flujos de gran volumen de pinturas y recubrimientos.

La pintura a la tiza sonicada sobre el grindómetro demuestra una desaglomeración y una distribución del tamaño de las partículas de pigmento perfectamente uniformes

Dispersión de nanopartículas

La molienda y la dispersión ultrasónicas suelen ser el único método para procesar nanopartículas de forma eficiente y obtener partículas primarias dispersadas individualmente. Un tamaño pequeño de las partículas primarias da lugar a una gran superficie y se correlaciona con la manifestación de características y funcionalidades únicas de las partículas. Al mismo tiempo, un tamaño de partícula menor se asocia a una elevada energía superficial, que favorece una agregación y una reactividad más intensas, por lo que se requieren las intensas fuerzas de dispersión ultrasónica para dispersar las nanopartículas de manera homogénea en la formulación.
Además, un tratamiento superficial ultrasónico puede modificar las nanopartículas y mejorar su dispersabilidad, la estabilidad de la dispersión, la hidrofobicidad y otras propiedades.
Los investigadores han recomendado el método de dispersión ultrasónica como solución preferente para las nanopartículas, «porque el material dispersado mediante el método ultrasónico es mucho más puro que el producido mediante molienda con perlas.» [Kim et al. 2010].

La técnica de dispersión ultrasónica ofrece numerosas ventajas frente a las tecnologías tradicionales de molienda, como los molinos de tres rodillos, de bolas o de medios de molienda.

¡Lea más sobre la homogeneización y la dispersión ultrasónicas de pigmentos y colorantes para concentrados y formulaciones de pintura!

Bibliografía / Referencias

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.