فراصوت در فرمولاسیون پوشش‌ها

اجزای مختلفی مانند رنگدانه‌ها، پرکننده‌ها، افزودنی‌های شیمیایی، عوامل اتصال عرضی و اصلاح‌کننده‌های رئولوژی در فرمولاسیون پوشش‌ها و رنگ‌ها به کار می‌روند. فراصوت روشی مؤثر برای پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی، کلوخه‌زدایی و آسیاب‌کردن این اجزا در پوشش‌ها است.

فراصوت در فرمولاسیون پوشش‌ها برای موارد زیر استفاده می‌شود:

• امولسیون‌سازی پلیمرها در سامانه‌های آبی
• پراکنده‌سازی و آسیاب‌کردن ریز رنگدانه‌ها
• کاهش اندازهٔ نانومواد در پوشش‌های با عملکرد بالا

پوشش‌ها به دو دستهٔ کلی تقسیم می‌شوند: رزین‌ها و پوشش‌های پایه‌آب و پایه‌حلال. هر نوع چالش‌های خاص خود را دارد. دستورالعمل‌های خواستار کاهش VOC و قیمت بالای حلال‌ها، رشد فناوری‌های پوشش‌دهی با رزین‌های پایه‌آب را تحریک می‌کنند. استفاده از فراصوت‌دهی می‌تواند عملکرد این سامانه‌های سازگار با محیط زیست را بهبود دهد.

بهبود فرمولاسیون پوشش‌ها با فراصوت‌دهی

فراصوت می‌تواند به تدوین‌کنندگان فرمولاسیون پوشش‌های ساختمانی، صنعتی، خودرو و چوب کمک کند تا ویژگی‌های پوشش، مانند قدرت رنگ‌دهی، مقاومت در برابر خراش، ترک و UV یا رسانایی الکتریکی را بهبود دهند. برخی از این ویژگی‌های پوشش با افزودن موادی در ابعاد نانو، برای مثال اکسیدهای فلزی (TiO₂، سیلیکا، سِریا، ZnO، …) حاصل می‌شوند.

فراصوت همچنین به کف‌زدایی (حباب‌های به‌دام‌افتاده) و گاززدایی (گاز حل‌شده) محصولات با گرانروی بالا کمک می‌کند. دربارهٔ هواگیری و گاززدایی فراصوتی مایعات بیشتر بخوانید!

از آنجا که فناوری پراکنده‌سازی فراصوتی در مقیاس آزمایشگاهی، رومیزی و تولید صنعتی قابل استفاده است و ظرفیت پردازش بیش از 10 تن در ساعت را فراهم می‌کند، هم در مرحلهٔ تحقیق و توسعه و هم در تولید تجاری به کار می‌رود. نتایج فرایند را می‌توان به‌آسانی و به‌صورت خطی به مقیاس بزرگ‌تر انتقال داد.

دستگاه‌های فراصوتی Hielscher بازده انرژی بسیار بالایی دارند. این دستگاه‌ها تقریباً 80 تا 90% از توان الکتریکی ورودی را به فعالیت مکانیکی در مایع تبدیل می‌کنند. این امر به کاهش چشمگیر هزینه‌های پردازش می‌انجامد.

با دنبال‌کردن پیوندهای زیر می‌توانید دربارهٔ استفاده از فراصوت با عملکرد بالا برای موارد زیر بیشتر بخوانید:

• امولسیون‌سازی پلیمرها در سامانه‌های آبی,
• پراکنده‌سازی و آسیاب‌کردن ریز رنگدانه‌ها,
• و کاهش اندازهٔ نانومواد.

پلیمریزاسیون امولسیونی با استفاده از فراصوت‌دهی

فرمولاسیون‌های سنتی پوشش‌ها از شیمی پایهٔ پلیمرها استفاده می‌کنند. گذار به فناوری پوشش‌های پایه‌آب بر انتخاب مواد اولیه، خواص و روش‌های فرمولاسیون تأثیر می‌گذارد.

در پلیمریزاسیون امولسیونی متداول، برای مثال در پوشش‌های پایه‌آب، ذرات از مرکز به سمت سطح خود تشکیل می‌شوند. عوامل سینتیکی بر همگنی و ریخت‌شناسی ذرات تأثیر می‌گذارند.

پردازش فراصوتی را می‌توان به دو روش برای تولید امولسیون‌های پلیمری به کار برد.

• بالا به پایین: امولسیون‌سازی/پراکنده‌سازی ذرات پلیمری بزرگ‌تر برای تولید ذرات کوچک‌تر از طریق کاهش اندازه
• پایین به بالا: استفاده از فراصوت پیش از پلیمریزاسیون ذرات یا در حین آن

 

در این ویدئو، یک سامانهٔ فراصوتی 2 کیلوواتی را برای کارکرد درون‌خطی در کابینتی قابل پاک‌سازی با گاز نشان می‌دهیم. Hielscher تجهیزات فراصوتی را برای تقریباً همهٔ صنایع، از جمله صنایع شیمیایی، دارویی، آرایشی، فرایندهای پتروشیمی و نیز فرایندهای استخراج با حلال تأمین می‌کند. این کابینت از جنس فولاد زنگ‌نزن، با قابلیت پاک‌سازی با گاز، برای کارکرد در مناطق خطرناک طراحی شده است. برای این منظور، مشتری می‌تواند کابینت درزبندی‌شده را با نیتروژن یا هوای تازه پاک‌سازی کند تا از ورود گازها یا بخارات قابل اشتعال به داخل کابینت جلوگیری شود.

 

پلیمرهای نانوذره‌ای در مینی‌امولسیون‌ها

پلیمریزاسیون ذرات در مینی‌امولسیون‌ها امکان تولید ذرات پلیمری پراکنده را با کنترل مناسب بر اندازهٔ ذرات فراهم می‌کند. سنتز ذرات پلیمری نانوذره‌ای در مینی‌امولسیون‌ها (که با نام نانورآکتورها نیز شناخته می‌شوند)، چنان‌که K. Landfester (2001) ارائه کرده است، روشی عالی برای تشکیل نانوذرات پلیمری است. این رویکرد از تعداد زیاد محفظه‌های کوچک نانومقیاس (فاز پراکنده) در یک امولسیون به‌عنوان نانورآکتور استفاده می‌کند. در این محفظه‌ها، ذرات به‌صورت بسیار موازی در قطره‌های مجزا و محصور سنتز می‌شوند. Landfester (2001) در مقالهٔ خود، پلیمریزاسیون در نانورآکتورها را با کمال بسیار بالا برای تولید ذراتی بسیار یکسان با اندازه‌ای تقریباً یکنواخت ارائه می‌کند. تصویر بالا ذرات حاصل از پلی‌افزایش با کمک فراصوت در مینی‌امولسیون‌ها را نشان می‌دهد.

قطره‌های کوچکی که با اعمال برش زیاد (فراصوت‌دهی) ایجاد و با عوامل پایدارکننده (امولسیون‌کننده‌ها) پایدار می‌شوند، می‌توانند با پلیمریزاسیون بعدی، یا در مورد موادی که در دمای پایین ذوب می‌شوند، با کاهش دما سخت شوند. از آنجا که فراصوت‌دهی می‌تواند در فرایندهای ناپیوسته و تولیدی، قطره‌های بسیار کوچک با اندازه‌ای تقریباً یکنواخت ایجاد کند، کنترل مناسب بر اندازهٔ نهایی ذرات را امکان‌پذیر می‌سازد. برای پلیمریزاسیون نانوذرات، می‌توان مونومرهای آب‌دوست را در یک فاز آلی و مونومرهای آب‌گریز را در آب امولسیون کرد.

با کاهش اندازهٔ ذرات، مجموع مساحت سطح ذرات هم‌زمان افزایش می‌یابد. تصویر سمت چپ رابطهٔ میان اندازهٔ ذرات و مساحت سطح را برای ذرات کروی نشان می‌دهد. بنابراین، مقدار مادهٔ فعال سطحی مورد نیاز برای پایدارکردن امولسیون، تقریباً به‌صورت خطی با مجموع مساحت سطح ذرات افزایش می‌یابد. نوع و مقدار مادهٔ فعال سطحی بر اندازهٔ قطره‌ها تأثیر می‌گذارد. با استفاده از مواد فعال سطحی آنیونی یا کاتیونی می‌توان قطره‌هایی با اندازهٔ 30 تا 200nm به دست آورد.

رنگدانه‌ها در پوشش‌ها

رنگدانه‌های آلی و معدنی از اجزای مهم فرمولاسیون پوشش‌ها هستند. برای به حداکثر رساندن عملکرد رنگدانه، کنترل مناسب بر اندازهٔ ذرات ضروری است. هنگام افزودن پودر رنگدانه به سامانه‌های پایه‌آب، پایه‌حلال یا اپوکسی، ذرات منفرد رنگدانه تمایل دارند کلوخه‌های بزرگی تشکیل دهند. سازوکارهای دارای برش زیاد، مانند مخلوط‌کن‌های روتور–استاتور یا آسیاب‌های مهره‌ای همزن‌دار، به‌طور متداول برای شکستن این کلوخه‌ها و ریزکردن ذرات منفرد رنگدانه استفاده می‌شوند. فراصوت‌دهی جایگزینی بسیار مؤثر برای این مرحله از تولید پوشش‌ها است.

نمودارهای زیر تأثیر فراصوت‌دهی بر اندازهٔ یک رنگدانهٔ صدفی را نشان می‌دهند. فراصوت، ذرات منفرد رنگدانه را از طریق برخوردهای پرسرعت میان ذرات آسیاب می‌کند. مزیت برجستهٔ فراصوت‌دهی، اثرگذاری زیاد نیروهای برشی ناشی از کاویتاسیون است که استفاده از اجسام آسیاب‌کننده (برای مثال مهره‌ها و دانه‌ها) را غیرضروری می‌کند. ذرات بر اثر جت‌های بسیار سریع مایع با سرعت تا 1000km/hr شتاب می‌گیرند، به‌شدت با یکدیگر برخورد می‌کنند و به قطعات کوچک خرد می‌شوند. سایش ذرات به ذرات آسیاب‌شده با فراصوت سطحی صاف می‌دهد. در مجموع، آسیاب‌کردن و پراکنده‌سازی فراصوتی به توزیعی یکنواخت از ذرات ریز منجر می‌شود.

 

آسیاب‌کردن و پراکنده‌سازی فراصوتی اغلب عملکرد بهتری از مخلوط‌کن‌های پرسرعت و آسیاب‌های دارای اجسام آسیاب‌کننده دارد، زیرا فراصوت‌دهی پردازش یکنواخت‌تری را برای همهٔ ذرات فراهم می‌کند. به‌طور کلی، فراصوت‌دهی ذراتی با اندازهٔ کوچک‌تر و توزیع اندازهٔ باریک تولید می‌کند (منحنی‌های آسیاب‌کردن رنگدانه). این امر کیفیت کلی پراکنه‌های رنگدانه را بهبود می‌دهد، زیرا ذرات بزرگ‌تر معمولاً بر قابلیت پردازش، براقیت، مقاومت و ظاهر بصری اثر نامطلوب می‌گذارند.

از آنجا که آسیاب‌کردن و خردکردن ذرات بر برخورد میان ذرات ناشی از کاویتاسیون فراصوتی استوار است، رآکتورهای فراصوتی می‌توانند غلظت‌های نسبتاً بالای مواد جامد (برای مثال مستربچ‌ها) را پردازش کنند و همچنان کاهش اندازهٔ مطلوبی ایجاد کنند. جدول زیر تصاویری از آسیاب‌کردن تر TiO2 را نشان می‌دهد.

نمودار زیر منحنی‌های توزیع اندازهٔ ذرات را برای کلوخه‌زدایی دی‌اکسید تیتانیوم آناتاز Degussa با فراصوت‌دهی نشان می‌دهد. شکل باریک منحنی پس از فراصوت‌دهی از ویژگی‌های معمول پردازش فراصوتی است.

مواد در ابعاد نانو در پوشش‌های با عملکرد بالا

نانوفناوری، فناوری نوظهوری است که به صنایع بسیاری راه می‌یابد. نانومواد و نانوکامپوزیت‌ها در فرمولاسیون پوشش‌ها به کار می‌روند، برای مثال برای بهبود مقاومت در برابر سایش و خراش یا پایداری در برابر UV. بزرگ‌ترین چالش کاربرد آن‌ها در پوشش‌ها، حفظ شفافیت، زلالی و براقیت است. بنابراین، نانوذرات باید بسیار کوچک باشند تا با طیف مرئی نور تداخل نداشته باشند. در بسیاری از کاربردها، این اندازه به‌طور قابل‌توجهی کمتر از 100nm است.

آسیاب‌کردن تر اجزای با عملکرد بالا تا محدودهٔ نانومتری، به مرحله‌ای حیاتی در فرمولاسیون پوشش‌های مهندسی‌شده در مقیاس نانو تبدیل می‌شود. هر ذره‌ای که با نور مرئی تداخل داشته باشد، موجب کدری و کاهش شفافیت می‌شود. بنابراین، توزیع‌های اندازهٔ بسیار باریک ضروری هستند. فراصوت‌دهی روشی بسیار مؤثر برای آسیاب‌کردن ریز مواد جامد است. کاویتاسیون فراصوتی / آکوستیکی در مایعات موجب برخوردهای پرسرعت میان ذرات می‌شود. برخلاف آسیاب‌های مهره‌ای و آسیاب‌های سنگریزه‌ای متداول، خود ذرات یکدیگر را خرد می‌کنند و در نتیجه استفاده از اجسام آسیاب‌کننده غیرضروری می‌شود.

شرکت‌هایی مانند Panadur (آلمان) از سونیکاتورهای Hielscher برای پراکنده‌سازی و کلوخه‌زدایی نانومواد در پوشش‌های درون‌قالبی استفاده می‌کنند. برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ پراکنده‌سازی فراصوتی پوشش‌های درون‌قالبی، اینجا کلیک کنید!

برای فراصوت‌دهی مایعات یا حلال‌های قابل‌اشتعال در محیط‌های خطرناک، دستگاه‌های پردازش دارای گواهی ATEX در دسترس هستند. دربارهٔ سونیکاتور UIP1000-Exd دارای گواهی Atex بیشتر بدانید!