Ultrasound pinnoitusformulaatiossa

Erilaiset komponentit, kuten pigmentit, täyteaineet, kemialliset lisäaineet, silloittajat ja reologian modifioijat, päätyvät pinnoitus- ja maaliformulaatioihin. Ultrasound on tehokas keino tällaisten komponenttien dispersiossa ja emulgoimisessa, deagglomeraatiossa ja jauhatuksessa pinnoitteissa.

Ultrasounda käytetään pinnoitteiden valmistuksessa:

• polymeerien emulgointi vesipohjaisissa järjestelmissä
• pigmenttien dispergointi ja hieno jauhaus
• nanomateriaalien koon pienentäminen korkean suorituskyvyn pinnoitteissa

Pinnoitteet jakautuvat kahteen laajaan luokkaan: vesiohenteiset ja liuotinpohjaiset hartsit ja pinnoitteet. Jokaisella tyypillä on omat haasteensa. Ohjeet, joissa vaaditaan VOC-yhdisteiden alentamista ja liuottimien korkeita hintoja, edistävät vesiohenteisten hartsipinnoitustekniikoiden kasvua. Ultrasonicationin käyttö voi parantaa tällaisten ympäristöystävällisten järjestelmien suorituskykyä.

Parannettu pinnoitteen formulaatio ultrasonicationin vuoksi

Ultraääni voi auttaa arkkitehtonisten, teollisuus-, auto- ja puupinnoitteiden formuloijia parantamaan pinnoitteen ominaisuuksia, kuten värilujuutta, naarmuuntumista, halkeamia ja UV-kestävyyttä tai sähkönjohtavuutta. Osa näistä pinnoiteominaisuuksista saavutetaan sisällyttämällä nanokokoisia materiaaleja, kuten metallioksideja (TiO₂, Silika, Ceria, ZnO, …).

Ultraääni auttaa edelleen erittäin viskoosien tuotteiden vaahdonpoistossa (juuttuneet kuplat) ja kaasunpoistossa (liuennut kaasu). Lue lisää nesteiden ultraäänen ilmastuksesta ja kaasunpoistosta!

Koska ultraäänidispergointitekniikkaa voidaan käyttää laboratorio-, penkki- ja teollisuustuotantotasolla, jolloin läpäisynopeudet ovat yli 10 tonnia tunnissa, sitä käytetään R: ssä&D vaiheessa ja kaupallisessa tuotannossa. Prosessin tuloksia voidaan skaalata helposti ja lineaarisesti.

Hielscherin ultraäänilaitteet ovat erittäin energiatehokkaita. Laitteet muuntavat noin 80-90% sähkön syöttötehosta nesteen mekaaniseksi aktiivisuudeksi. Tämä johtaa huomattavasti alhaisempiin käsittelykustannuksiin.

Alla olevien linkkien jälkeen voit lukea lisää korkean suorituskyvyn ultraäänen käytöstä

• polymeerien emulgointi vesipohjaisissa järjestelmissä,
• pigmenttien dispergointi ja hieno jauhaus,
• ja nanomateriaalien kokojakauma.

Emulsiopolymerointi sonikaatiolla

Perinteiset pinnoiteformulaatiot käyttävät polymeerikemian peruskemiaa. Vesiohenteisen pinnoitusteknologian muutos vaikuttaa raaka-aineiden valintaan, ominaisuuksiin ja formulaatiomenetelmiin.

Tavallisessa emulsiopolymeroinnissa, esim. Vesiohenteisissa päällysteissä hiukkaset rakennetaan keskeltä pinnalle. Kineettiset tekijät vaikuttavat hiukkasen homogeenisuuteen ja morfologiaan.

Ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää kahdella tavalla tuottamaan polymeeriemulsioita.

• Ylhäältä alas: Emulgointikoe/hajotus suurempia polymeerihiukkasia pienempien hiukkasten muodostamiseksi koon pienentämiseksi
• Alhaalta ylöspäin: Ultraäänen käyttö ennen hiukkaspolymerointia tai sen aikana

 

 

Nanopartikulaariset polymeerit miniemulsioissa

Hiukkasten polymerointi miniemulsioissa mahdollistaa dispergoitujen polymeerihiukkasten valmistuksen, joilla on hyvä määräysvalla hiukkaskoko. Nanohiukkasten polymeerihiukkasten synteesi miniemulsioissa (tunnetaan myös nimellä nanoreaktorit), kuten K. Landfester (2001) on esittänyt, on erinomainen menetelmä polymeeristen nanohiukkasten muodostamiseksi. Tässä lähestymistavassa käytetään suurta määrää pieniä nanokomponentteja (dispergointifaasi) emulsiossa nanoreaktoreina. Näissä hiukkaset syntetisoidaan hyvin rinnakkain yksittäisissä, suljetuissa pisaroissa. Landfester (2001) esittelee artikkelissaan nanoreaktoreiden polymeroitumisen erittäin täydellisesti erittäin identtisten, lähes tasakokoisten hiukkasten tuottamiseksi. Yllä olevassa kuvassa on hiukkasia, jotka on saatu ultraäänellä avustetulla polyadditiolla miniemulsioissa.

Pienet pisarat, jotka syntyvät käyttämällä korkeaa leikkausta (ultrasonication) ja jotka on stabiloitu stabiloivilla aineilla (emulgointiaineilla), voidaan kovettaa myöhemmällä polymeroinnilla tai lämpötilan laskulla matalan lämpötilan sulavien materiaalien tapauksessa. Koska ultrasonication voi tuottaa hyvin pieniä, lähes tasakokoisia pisaroita erä- ja tuotantoprosessissa, se mahdollistaa lopullisen hiukkaskoon hyvän hallinnan. Nanohiukkasten polymeroimiseksi hydrofiiliset monomeerit voidaan emulgoida orgaaniseksi faasiksi ja hydrofobiset monomeerit vedessä.

Hiukkaskokoa pienennettäessä hiukkasten kokonaispinta-ala kasvaa samanaikaisesti. Vasemmalla oleva kuva näyttää hiukkaskoon ja pinta-alan välisen korrelaation pallomaisten hiukkasten tapauksessa. Siksi emulsion stabilointiin tarvittavan pinta-aktiivisen aineen määrä kasvaa lähes lineaarisesti hiukkasten kokonaispinta-alan kanssa. Pinta-aktiivisen aineen tyyppi ja määrä vaikuttavat pisaran kokoon. 30 - 200 nm: n pisaroita voidaan saada käyttämällä anionisia tai kationisia pinta-aktiivisia aineita.

Pigmentit päällysteissä

Orgaaniset ja epäorgaaniset pigmentit ovat tärkeä osa pinnoiteformulaatioita. Pigmentin suorituskyvyn maksimoimiseksi tarvitaan hyvä hiukkaskoon hallinta. Kun pigmenttijauhetta lisätään vesiohenteisiin, liuotinvälitteisiin tai epoksijärjestelmiin, yksittäiset pigmenttihiukkaset muodostavat yleensä suuria agglomeraatteja. Korkealeikkausmekanismeja, kuten roottori-staattorisekoittimia tai sekoitinhelmimyllyjä, käytetään perinteisesti tällaisten agglomeraattien hajottamiseen ja yksittäisten pigmenttihiukkasten jauhamiseen. Ultrasonication erittäin tehokkaassa vaihtoehdossa tähän vaiheeseen pinnoitteiden valmistuksessa.

Alla olevat kaaviot osoittavat sonikoinnin vaikutuksen helmi-kiiltopigmentin kokoon. Ultraääni jauhaa yksittäiset pigmenttihiukkaset nopealla hiukkasten välisellä törmäyksellä. Ultrasonicationin näkyvä etu on kavitaatioleikkausvoimien suuri vaikutus, mikä tekee jauhatusaineiden (esim. helmien, helmien) käytön tarpeettomaksi. Kun hiukkaset kiihtyvät erittäin nopeilla nestesuihkuilla, joiden pituus on jopa 1000 km/h, törmäävät väkivaltaisesti ja hajoavat pieniksi paloiksi. Hiukkasten hankaus antaa ultraäänellä hiotuille hiukkasille sileän pinnan. Kaiken kaikkiaan ultraäänijyrsintä ja dispersio johtavat hienokokoiseen ja tasaiseen hiukkasjakaumaan.

 

Ultraäänijyrsintä ja dispergointi on usein erinomainen nopeiden sekoittimien ja mediamyllyjen välillä, koska sonikaatio tarjoaa kaikkien hiukkasten johdonmukaisemman käsittelyn. Yleensä ultrasonication tuottaa pienempiä hiukkaskokoja ja kapean hiukkaskokojakauman (pigmentin jyrsintäkäyrät). Tämä parantaa pigmenttidispersioonien yleistä laatua, koska suuremmat hiukkaset häiritsevät tyypillisesti käsittelykykyä, kiiltoa, vastusta ja optista ulkonäköä.

Koska hiukkasten jyrsintä ja jauhaminen perustuu hiukkasten väliseen törmäykseen ultraäänikavitaation seurauksena, ultraäänireaktorit pystyvät käsittelemään melko korkeita kiinteitä pitoisuuksia (esim. pääeriä) ja tuottavat silti hyviä koon pienennysvaikutuksia. Alla olevassa taulukossa on kuvia TiO2:n märkäjyrsinnästä.

Alla oleva kaavio näyttää hiukkaskoon jakautumiskäyrät Degussa-anataasititaanidioksidin deagglomeraatiolle ultrasonicationilla. Käyrän kapea muoto sonikoinnin jälkeen on tyypillinen ultraäänikäsittelyn piirre.

Nanoa materiaalit korkean suorituskyvyn pinnoitteisiin

Nanoteknologia on kehittymässä oleva teknologia, joka tekee tiensä monille teollisuudenaloille. Nanomateriaaleja ja nanokomposiitteja käytetään pinnoitteiden muotoiluissa, esimerkiksi kulutus- ja naarmuuntumiskestävyyden tai UV-stabiiliuden parantamiseksi. Suurin haaste pinnoitteiden sovellukselle on läpinäkyvyyden, selkeyden ja kiillon säilyttäminen. Siksi nanohiukkaset ovat hyvin pieniä, jotta vältetään valon näkyvään spektriin kohdistuvat häiriöt. Monissa sovelluksissa tämä on huomattavasti alle 100 nm.

Korkean suorituskyvyn komponenttien märkähionta nanometrin alueelle tulee ratkaiseva askel nanosuunniteltujen pinnoitteiden muotoilussa. Kaikki hiukkaset, jotka häiritsevät näkyvää valoa, aiheuttavat sameutta ja läpinäkyvyyden menetystä. Siksi tarvitaan hyvin kapeita kokojakaumia. Ultrasonication on erittäin tehokas keino kiinteiden aineiden hienoon jauhamiseen. Ultraääni / akustinen kavitaatio nesteissä aiheuttaa nopeita hiukkasten välisiä törmäyksiä. Perinteisistä helmitehtaista ja kivitehtaista poiketen hiukkaset itse kommimnutoivat toisiaan, mikä tekee jyrsintäaineista tarpeettomia.

Yritykset, kuten Panadur (Saksa) käytä Hielscherin ultraäänilaitteita nanomateriaalien dispergointiin ja deagglomerointiin homepinnoitteissa. Klikkaa tästä lukeaksesi lisää homeen sisäisten pinnoitteiden ultraäänidispersiosta!

Syttyvien nesteiden tai liuottimien sonikointiin vaarallisissa ympäristöissä on saatavana ATEX-sertifioituja prosessoreita. Lue lisää Atex-sertifioidusta ultraäänilaitteesta UIP1000-Exd!