Ultraääni pinnoitteiden formuloinnissa

Pinnoite- ja maaliformulaatioissa käytetään erilaisia komponentteja, kuten pigmenttejä, täyteaineita, kemiallisia lisäaineita, silloitusaineita ja reologian muokkausaineita. Ultraääni on tehokas keino näiden komponenttien dispergointiin, emulgointiin, deagglomerointiin ja jauhatukseen pinnoitteissa.

Ultraääntä käytetään pinnoitteiden formuloinnissa seuraaviin tarkoituksiin:

• polymeerien emulgointi vesipohjaisissa järjestelmissä
• pigmenttien dispergointi ja hienojauhatus
• nanomateriaalien hiukkaskoon pienentäminen suorituskykyisissä pinnoitteissa

Pinnoitteet jakautuvat kahteen pääluokkaan: vesipohjaisiin ja liuotinpohjaisiin hartseihin ja pinnoitteisiin. Kummallakin tyypillä on omat haasteensa. VOC-päästöjen vähentämistä edellyttävät linjaukset ja liuottimien korkeat hinnat edistävät vesipohjaisten hartsipinnoiteteknologioiden kasvua. Ultraäänikäsittely voi parantaa tällaisten ympäristöystävällisten järjestelmien suorituskykyä.

Pinnoitteiden formuloinnin parantaminen ultraäänikäsittelyllä

Ultraääni voi auttaa rakennus-, teollisuus-, auto- ja puupinnoitteiden formuloijia parantamaan pinnoitteiden ominaisuuksia, kuten värivoimakkuutta, naarmuuntumisen, halkeilun ja UV-säteilyn kestävyyttä tai sähkönjohtavuutta. Osa näistä pinnoitteiden ominaisuuksista saavutetaan lisäämällä nanokokoisia materiaaleja, esimerkiksi metallioksideja (TiO₂, piidioksidi, ceriumoksidi, ZnO, …).

Ultraääni auttaa myös poistamaan vaahtoa (tuotteeseen jääneitä kuplia) ja kaasua (liuennutta kaasua) erittäin viskooseista tuotteista. Lue lisää nesteiden ilman- ja kaasunpoistosta ultraäänellä!

Koska ultraäänidispergointiteknologiaa voidaan käyttää laboratorio-, pöytälaite- ja teollisessa tuotantomittakaavassa ja sillä voidaan saavuttaa yli 10 tonnin tuntikapasiteetti, sitä käytetään sekä tutkimus- ja kehitysvaiheessa että kaupallisessa tuotannossa. Prosessitulokset voidaan skaalata suurempaan mittakaavaan helposti ja lineaarisesti.

Yrityksen Hielscher ultraäänilaitteet ovat erittäin energiatehokkaita. Laitteet muuttavat noin 80–90 % syötetystä sähkötehosta nesteen mekaaniseksi liikkeeksi. Tämä alentaa käsittelykustannuksia huomattavasti.

Alla olevista linkeistä voit lukea lisää suuritehoisen ultraäänen käytöstä seuraaviin tarkoituksiin:

• polymeerien emulgointi vesipohjaisissa järjestelmissä,
• pigmenttien dispergointi ja hienojauhatus,
• ja nanomateriaalien hiukkaskoon pienentäminen.

Emulsiopolymerointi ultraäänikäsittelyllä

Perinteisissä pinnoiteformulaatioissa hyödynnetään polymeerikemian perusteita. Siirtyminen vesipohjaiseen pinnoiteteknologiaan vaikuttaa raaka-aineiden valintaan, ominaisuuksiin ja formulointimenetelmiin.

Tavanomaisessa emulsiopolymeroinnissa, esimerkiksi vesipohjaisia pinnoitteita valmistettaessa, hiukkaset rakentuvat keskeltä kohti pintaansa. Kineettiset tekijät vaikuttavat hiukkasten homogeenisuuteen ja morfologiaan.

Ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää kahdella tavalla polymeeriemulsioiden tuottamiseen.

• Ylhäältä alas: Emulgoimalla/dispergoimalla suurempia polymeerihiukkasia pienempien hiukkasten tuottamiseksi hiukkaskokoa pienentämällä
• Alhaalta ylös: Ultraäänen käyttö ennen hiukkasten polymerointia tai sen aikana

 

Tässä videossa esittelemme 2 kilowatin ultraäänijärjestelmän, joka on tarkoitettu jatkuvatoimiseen käsittelyyn huuhtelukaasulla huuhdeltavassa kaapissa. Hielscher toimittaa ultraäänilaitteita lähes kaikille teollisuudenaloille, kuten kemian-, lääke- ja kosmetiikkateollisuuteen, petrokemiallisiin prosesseihin sekä liuotinpohjaisiin uuttoprosesseihin. Tämä ruostumattomasta teräksestä valmistettu huuhdeltava kaappi on suunniteltu käytettäväksi räjähdysvaarallisissa tiloissa. Asiakas voi huuhdella tiivistetyn kaapin typellä tai raittiilla ilmalla estääkseen syttyvien kaasujen tai höyryjen pääsyn kaappiin.

 

Nanohiukkasmuotoiset polymeerit miniemulsioissa

Hiukkasten polymerointi miniemulsioissa mahdollistaa dispergoitujen polymeerihiukkasten valmistuksen siten, että hiukkaskokoa voidaan hallita hyvin. K. Landfesterin (2001) esittämä nanokokoisten polymeerihiukkasten synteesi miniemulsioissa (joita kutsutaan myös nanoreaktoreiksi) on erinomainen menetelmä polymeeristen nanohiukkasten muodostamiseen. Tässä lähestymistavassa emulsion lukuisia pieniä nanokokoisia tiloja (disperssi faasi) käytetään nanoreaktoreina. Niissä hiukkasia syntetisoidaan hyvin pitkälle rinnakkain yksittäisissä, rajatuissa pisaroissa. Artikkelissaan Landfester (2001) esittelee nanoreaktoreissa tapahtuvan polymeroinnin, joka toteutetaan erittäin korkeatasoisesti hyvin samanlaisten ja lähes tasakokoisten hiukkasten tuottamiseksi. Yllä olevassa kuvassa näkyy hiukkasia, jotka on saatu ultraääniavusteisella polyadditiolla miniemulsioissa.

Pienet pisarat, jotka on tuotettu voimakkaalla leikkauksella (ultraäänikäsittelyllä) ja stabiloitu stabilointiaineilla (emulgointiaineilla), voidaan kovettaa myöhemmällä polymeroinnilla tai lämpötilaa alentamalla, jos kyseessä ovat matalassa lämpötilassa sulavat materiaalit. Koska ultraäänikäsittely voi tuottaa erittäin pieniä, lähes tasakokoisia pisaroita erä- ja tuotantoprosesseissa, se mahdollistaa lopullisen hiukkaskoon hyvän hallinnan. Nanohiukkasten polymerointia varten hydrofiiliset monomeerit voidaan emulgoida orgaaniseen faasiin ja hydrofobiset monomeerit veteen.

Hiukkaskokoa pienennettäessä hiukkasten kokonaispinta-ala kasvaa samalla. Vasemmalla olevassa kuvassa näkyy hiukkaskoon ja pinta-alan välinen yhteys pallomaisilla hiukkasilla. Siksi emulsion stabilointiin tarvittavan pinta-aktiivisen aineen määrä kasvaa lähes lineaarisesti hiukkasten kokonaispinta-alan mukana. Pinta-aktiivisen aineen tyyppi ja määrä vaikuttavat pisarakokoon. Anionisilla tai kationisilla pinta-aktiivisilla aineilla voidaan saada 30–200 nm:n pisaroita.

Pigmentit pinnoitteissa

Orgaaniset ja epäorgaaniset pigmentit ovat tärkeä osa pinnoiteformulaatioita. Pigmenttien suorituskyvyn maksimoimiseksi hiukkaskokoa on hallittava hyvin. Kun pigmenttijauhetta lisätään vesipohjaisiin, liuotinpohjaisiin tai epoksijärjestelmiin, yksittäiset pigmenttihiukkaset pyrkivät muodostamaan suuria agglomeraatteja. Tällaisten agglomeraattien hajottamiseen ja yksittäisten pigmenttihiukkasten hienontamiseen käytetään perinteisesti voimakkaaseen leikkaukseen perustuvia laitteita, kuten roottori-staattorisekoittimia tai sekoittimella varustettuja helmimyllyjä. Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas vaihtoehto tähän pinnoitteiden valmistusvaiheeseen.

Alla olevat kuvaajat osoittavat ultraäänikäsittelyn vaikutuksen helmiäispigmentin hiukkaskokoon. Ultraääni jauhaa yksittäisiä pigmenttihiukkasia hiukkasten välisten nopeiden törmäysten avulla. Ultraäänikäsittelyn merkittävä etu on kavitaation leikkausvoimien voimakas vaikutus, joka tekee jauhatuskappaleiden (esimerkiksi kuulien ja helmien) käytön tarpeettomaksi. Kun erittäin nopeat, jopa nopeudella 1000km/hr liikkuvat nestesuihkut kiihdyttävät hiukkasia, ne törmäävät voimakkaasti ja hajoavat pieniksi kappaleiksi. Hiukkasten hankautuminen tekee ultraäänellä jauhettujen hiukkasten pinnasta sileän. Kaiken kaikkiaan ultraäänijauhatus ja -dispergointi tuottavat hienojakoisen ja tasaisen hiukkasjakauman.

 

Ultraäänijauhatus ja -dispergointi toimivat usein paremmin kuin suurnopeussekoittimet ja jauhatuskappaleita käyttävät myllyt, sillä ultraäänikäsittely käsittelee kaikki hiukkaset tasaisemmin. Yleensä ultraäänikäsittely tuottaa pienempiä hiukkaskokoja ja kapean hiukkaskokojakauman (pigmenttien jauhatuskäyrät). Tämä parantaa pigmenttidispersioiden kokonaislaatua, sillä suuremmat hiukkaset haittaavat tyypillisesti prosessoitavuutta, kiiltoa, kestävyyttä ja optista ulkonäköä.

Koska hiukkasten jauhatus ja hienontaminen perustuvat ultraäänikavitaation aiheuttamiin hiukkasten välisiin törmäyksiin, ultraäänireaktorit voivat käsitellä melko suuria kiintoainepitoisuuksia (esimerkiksi masterbatch-seoksia) ja silti pienentää hiukkaskokoa tehokkaasti. Alla olevassa taulukossa on kuvia TiO2:n märkäjauhatuksesta.

Alla oleva kuvaaja esittää hiukkaskokojakaumakäyrät Degussan anataasimuotoisen titaanidioksidin deagglomeroinnille ultraäänikäsittelyllä. Käyrän kapea muoto ultraäänikäsittelyn jälkeen on ultraäänikäsittelylle tyypillinen piirre.

Nanokokoiset materiaalit suorituskykyisissä pinnoitteissa

Nanoteknologia on kehittyvä teknologia, joka leviää monille teollisuudenaloille. Nanomateriaaleja ja nanokomposiitteja käytetään pinnoiteformulaatioissa esimerkiksi parantamaan kulumisen ja naarmuuntumisen kestävyyttä tai UV-stabiilisuutta. Suurin haaste niiden käytössä pinnoitteissa on läpinäkyvyyden, kirkkauden ja kiillon säilyttäminen. Siksi nanohiukkasten on oltava erittäin pieniä, jotta ne eivät vaikuta valon näkyvään spektriin. Monissa sovelluksissa tarvittava hiukkaskoko on huomattavasti alle 100 nm.

Suorituskykyisten komponenttien märkäjauhatus nanometrialueelle on keskeinen vaihe nanoteknologialla suunniteltujen pinnoitteiden formuloinnissa. Kaikki näkyvään valoon vaikuttavat hiukkaset aiheuttavat sameutta ja läpinäkyvyyden heikkenemistä. Siksi tarvitaan erittäin kapeita hiukkaskokojakaumia. Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas keino kiintoaineiden hienojauhatukseen. Ultraääni- eli akustinen kavitaatio nesteissä aiheuttaa nopeita hiukkasten välisiä törmäyksiä. Toisin kuin tavanomaisissa helmi- ja kivimyllyissä, hiukkaset hienontavat itse toisiaan, mikä tekee jauhatuskappaleet tarpeettomiksi.

Yritykset, kuten Panadur (Saksa), käyttävät yrityksen Hielscher ultraäänilaitteita nanomateriaalien dispergointiin ja deagglomerointiin muotissa levitettävissä pinnoitteissa. Lue tästä lisää muotissa levitettävien pinnoitteiden ultraäänidispergoinnista!

Syttyvien nesteiden tai liuottimien ultraäänikäsittelyyn räjähdysvaarallisissa ympäristöissä on saatavilla ATEX-sertifioituja prosessoreita. Lue lisää Atex-sertifioidusta ultraäänilaitteesta UIP1000-Exd!