Ultraheli kasutamine pinnakatete koostise väljatöötamisel

Pinnakatete ja värvide koostisesse kuuluvad mitmesugused komponendid, näiteks pigmendid, täiteained, keemilised lisandid, ristsidestajad ja reoloogia modifikaatorid. Ultraheli on tõhus vahend selliste komponentide dispergeerimiseks ja emulgeerimiseks, deaglomeratsiooniks ja jahvatamiseks pinnakatetes.

Ultraheli kasutatakse pinnakatete koostise väljatöötamisel järgmisteks otstarveteks:

• polümeeride emulgeerimine vesisüsteemides
• pigmentide dispergeerimine ja peenjahvatamine
• nanomaterjalide osakeste suuruse vähendamine suure jõudlusega pinnakatetes

Pinnakatted jagunevad kahte põhikategooriasse: veepõhised ja lahustipõhised vaigud ning pinnakatted. Igal tüübil on omad väljakutsed. LOÜ (VOC) heitmete vähendamist nõudvad suunised ja lahustite kõrge hind soodustavad veepõhiste vaikude pinnakatetehnoloogiate kasvu. Ultraheli töötluse (sonikeerimise) kasutamine võib selliste keskkonnasõbralike süsteemide jõudlust parandada.

Täiustatud pinnakatete koostis tänu ultraheli töötlusele (sonikeerimisele)

Ultraheli võib aidata arhitektuursete, tööstuslike, autotööstuse ja puidu pinnakatete koostajatel parandada pinnakatete omadusi, näiteks värvitugevust, kriimustus-, mõrane- ja UV-kindlust või elektrijuhtivust. Mõned neist pinnakatete omadustest saavutatakse nanosuuruses materjalide lisamisega, nt metallioksiidid (TiO₂, ränidioksiid, tseeriumoksiid, ZnO, …).

Ultraheli aitab lisaks vähendada vahutamist (lõksu jäänud mullid) ja eemaldada gaase (lahustunud gaas) väga viskoossetest toodetest. Lugege lähemalt vedelike ultraheli abil õhust ja gaasidest vabastamise kohta!

Kuna ultraheli dispergeerimistehnoloogiat saab kasutada laboratoorses, lauaseadme- ja tööstusliku tootmise mastaabis ning see võimaldab läbilaskevõimet üle 10 tonni tunnis, rakendatakse seda nii teadus- ja arendustegevuse etapis kui ka tööstuslikus tootmises. Protsessi tulemusi saab hõlpsasti ja lineaarselt suurendada.

Hielscheri ultraheliseadmed on väga energiatõhusad. Seadmed muudavad ligikaudu 80 kuni 90% elektrilisest sisendvõimsusest mehaaniliseks aktiivsuseks vedelikus. See toob kaasa oluliselt madalamad töötlemiskulud.

Alljärgnevate linkide kaudu saate lugeda lähemalt suure jõudlusega ultraheli kasutamise kohta järgmisteks otstarveteks:

• polümeeride emulgeerimine vesisüsteemides,
• pigmentide dispergeerimine ja peenjahvatamine,
• ja nanomaterjalide osakeste suuruse vähendamine.

Emulsioonpolümerisatsioon ultraheli töötluse (sonikeerimise) abil

Traditsioonilised pinnakatete koostised põhinevad polümeeride põhikeemial. Üleminek veepõhisele pinnakatetehnoloogiale mõjutab tooraine valikut, omadusi ja koostise väljatöötamise meetodeid.

Tavapärases emulsioonpolümerisatsioonis, nt veepõhiste pinnakatete puhul, ehitatakse osakesed üles keskmest nende pinna suunas. Kineetilised tegurid mõjutavad osakeste homogeensust ja morfoloogiat.

Ultraheli töötlust saab kasutada polümeeremulsioonide valmistamiseks kahel viisil.

• Ülalt alla: Emulgeerimine/dispergeerimine suuremate polümeeriosakeste puhul väiksemate osakeste saamiseks osakeste suuruse vähendamise teel
• Alt üles: ultraheli kasutamine enne osakeste polümerisatsiooni või selle ajal

 

Selles videos näitame 2 kilovati võimsusega ultrahelisüsteemi pidevtöötluseks läbipuhutavas kapis. Hielscher tarnib ultraheliseadmeid peaaegu kõigile tööstusharudele, sealhulgas keemia-, farmaatsia- ja kosmeetikatööstusele, naftakeemilisteks protsessideks ning lahustipõhiseks ekstraheerimiseks. See läbipuhutav roostevabast terasest kapp on ette nähtud kasutamiseks plahvatusohtlikes piirkondades. Selleks saab klient puhuda suletud kapist läbi lämmastikku või värsket õhku, et vältida tuleohtlike gaaside või aurude sisenemist kappi.

 

Nanoosakestest polümeerid miniemulsioonides

Osakeste polümerisatsioon miniemulsioonides võimaldab valmistada dispergeeritud polümeeriosakesi, mille osakeste suurust on hea kontrollida. Nanoosakeste kujul olevate polümeeriosakeste süntees miniemulsioonides (tuntud ka nanoreaktoritena), nagu on esitanud K. Landfester (2001), on suurepärane meetod polümeersete nanoosakeste moodustamiseks. See lähenemisviis kasutab emulsioonis suurt hulka väikeseid nanokambreid (hajutatud faas) nanoreaktoritena. Nendes sünteesitakse osakesed väga paralleelselt üksikutes piiratud tilkades. Oma artiklis esitab Landfester (2001) polümerisatsiooni nanoreaktorites kõrge täiuslikkusega peaaegu ühtlase suurusega ja väga identsete osakeste tekitamiseks. Ülaltoodud pildil on näidatud osakesed, mis on saadud ultraheli abil toimuva polüliitumise teel miniemulsioonides.

Suure nihke rakendamisega (ultraheli töötlus) tekitatud ja stabilisaatorite (emulgaatorite) abil stabiliseeritud väikesed tilgad saab kõvastada järgneva polümerisatsiooni abil või madala sulamistemperatuuriga materjalide korral temperatuuri langetamisega. Kuna ultraheli töötlus suudab nii partii- kui ka tootmisprotsessis tekitada väga väikesi peaaegu ühtlase suurusega tilku, võimaldab see lõpliku osakeste suuruse head kontrolli. Nanoosakeste polümerisatsiooniks saab hüdrofiilseid monomeere emulgeerida orgaanilisse faasi ja hüdrofoobseid monomeere vette.

Osakeste suuruse vähendamisel suureneb samal ajal osakeste kogupindala. Vasakpoolne pilt näitab osakeste suuruse ja pindala seost sfääriliste osakeste korral. Seetõttu suureneb emulsiooni stabiliseerimiseks vajaliku pindaktiivse aine kogus peaaegu lineaarselt osakeste kogupindalaga. Pindaktiivse aine tüüp ja kogus mõjutavad tilga suurust. Anioonsete või katioonsete pindaktiivsete ainetega saab tekitada 30 kuni 200nm suuruseid tilku.

Pigmendid pinnakatetes

Orgaanilised ja anorgaanilised pigmendid on pinnakatete koostise oluline komponent. Pigmendi toimivuse maksimeerimiseks on vaja osakeste suurust hästi kontrollida. Pigmendipulbri lisamisel vesibaasilistele, lahustipõhistele või epoksiidsüsteemidele kipuvad üksikud pigmendiosakesed moodustama suuri aglomeraate. Selliste aglomeraatide lõhkumiseks ja üksikute pigmendiosakeste peenestamiseks kasutatakse tavapäraselt suure nihkega mehhanisme, näiteks rootor-stator-segisteid või segajaga kuulveskeid. Ultraheli töötlus on selle etapi jaoks pinnakatete tootmisel äärmiselt tõhus alternatiiv.

Alljärgnevad graafikud näitavad sonikeerimise mõju pärlläikega pigmendi osakeste suurusele. Ultraheli jahvatab üksikuid pigmendiosakesi osakestevaheliste suure kiirusega kokkupõrgete abil. Ultraheli töötluse silmapaistev eelis on kavitatsioonilise nihkejõu suur mõju, mistõttu jahvatuskehade (nt kuulikeste, pärlite) kasutamine pole vajalik. Kuna osakesed kiirenevad äärmiselt kiirete vedelikujugade toimel kuni 1000km/h, põrkuvad nad vägivaldselt kokku ja purunevad väikesteks tükkideks. Osakeste hõõrdumine annab ultraheliga jahvatatud osakestele siledama pinna. Kokkuvõttes annab ultraheliga jahvatamine ja dispergeerimine peene ja ühtlase osakeste suurusjaotuse.

Ultraheli abil lõhkumine ja dispergeerimine on sageli tõhusam kui kiirsegistid ja jahvatusmeediumiga veskid, kuna ultraheli töötlus (sonikeerimine) tagab kõigi osakeste ühtlasema töötlemise. Üldiselt annab ultraheli töötlus väiksemad osakeste suurused ja kitsa osakeste suurusjaotuse (pigmentide jahvatuskõverad). See parandab pigmentdispersioonide üldist kvaliteeti, kuna suuremad osakesed takistavad tavaliselt töödeldavust, läiget, vastupidavust ja optilist välimust.

Kuna osakeste jahvatamine ja peenestamine põhineb ultraheli kavitatsioonist tingitud osakestevahelistel kokkupõrgetel, saavad ultraheli reaktorid hakkama üsna kõrgete tahkete ainete kontsentratsioonidega (nt põhisegud) ja annavad siiski head peenestamistulemused. Allolev tabel näitab TiO2 märgjahvatuse pilte.

Allolev joonis näitab Degussa anataas-titaandioksiidi deagglomeratsiooni osakeste suurusjaotuse kõveraid ultraheli töötluse (sonikeerimise) korral. Kõvera kitsas kuju pärast ultraheli töötlust on ultraheli töötluse tüüpiline tunnusjoon.

Nanosuuruses materjalid kõrgjõudlusega pinnakatetes

Nanotehnoloogia on esilekerkiv tehnoloogia, mis leiab teed paljudesse tööstusharudesse. Nanomaterjale ja nanokomposiite kasutatakse pinnakatete koostistes nt kulumis- ja kriimustuskindluse või UV-püsivuse parandamiseks. Suurim väljakutse pinnakatetes kasutamisel on läbipaistvuse, selguse ja läike säilitamine. Seetõttu peavad nanoosakesed olema väga väikesed, et vältida häireid valguse nähtava spektriga. Paljude rakenduste jaoks on see oluliselt alla 100nm.

Kõrgjõudlusega komponentide märgjahvatamine nanomeetrivahemikku muutub nanoinsenerlike pinnakatete koostise väljatöötamisel otsustavaks sammuks. Kõik osakesed, mis häirivad nähtavat valgust, põhjustavad uduse ilme ja läbipaistvuse languse. Seetõttu on vaja väga kitsaid suurusjaotusi. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on väga tõhus vahend tahkete ainete peenjahvatamiseks. Ultraheli- ehk akustiline kavitatsioon vedelikes põhjustab suure kiirusega osakestevahelisi kokkupõrkeid. Erinevalt tavapärastest kuulveskitest ja kruusveskitest peenestavad osakesed üksteist ise, mistõttu jahvatusmeediumid on tarbetud.

Ettevõtted, näiteks Panadur (Saksamaa) kasutavad Hielscheri sonikaatoreid nanomaterjalide dispergeerimiseks ja deagglomeratsiooniks vormisisestes pinnakatetes. Klõpsake siia, et lugeda lähemalt vormisisestete pinnakatete ultraheli dispergeerimise kohta!

Tuleohtlike vedelike või lahustite ultraheli töötluseks (sonikeerimiseks) ohtlikes keskkondades on saadaval ATEX-sertifitseeritud töötlusseadmed. Lugege lähemalt Atex-sertifitseeritud sonikaatori UIP1000-Exd kohta!