Ultraääni pinnoitteen formulaatiossa
Erilaiset komponentit, kuten pigmentit, täyteaineet, kemialliset lisäaineet, silloittajat ja reologian modifioijat, menevät pinnoitus- ja maaliformulaatioihin. Ultraääni on tehokas keino tällaisten komponenttien dispersioon ja emulgointiin, deagglomerointiin ja jyrsintään pinnoitteissa.
Ultraääntä käytetään pinnoitteiden muotoilussa:
- polymeerien emulgointi vesijärjestelmissä
- pigmenttien dispergointi ja hieno jauhaminen
- nanomateriaalien koon pienentäminen korkean suorituskyvyn pinnoitteissa
Pinnoitteet jakautuvat kahteen laajaan luokkaan: vesiohenteiset ja liuotinpohjaiset hartsit ja pinnoitteet. Jokaisella tyypillä on omat haasteensa. VOC-yhdisteiden vähentämistä ja liuottimien korkeita hintoja vaativat ohjeet edistävät vesiohenteisten hartsipinnoitustekniikoiden kasvua. Ultrasonicationin käyttö voi parantaa tällaisten ympäristöystävällisten järjestelmien suorituskykyä.
Parannettu pinnoiteformulaatio ultrasonicationin ansiosta
Ultraääni voi auttaa arkkitehtonisten, teollisten, auto- ja puupinnoitteiden formuloijia parantamaan pinnoitteen ominaisuuksia, kuten värin lujuutta, naarmuuntumista, halkeilua ja UV-kestävyyttä tai sähkönjohtavuutta. Osa näistä pinnoiteominaisuuksista saavutetaan sisällyttämällä nanokokoisia materiaaleja, kuten metallioksideja (TiO2, piidioksidi, ceria, ZnO, …).
Ultraäänijärjestelmä 2x 1000 watin ultraäänidispergointilaitteista puhdistettavassa kaapissa.
Koska ultraäänidispergointitekniikkaa voidaan käyttää laboratorio-, penkki- ja teollisuustuotannon tasolla, mikä mahdollistaa yli 10 tonnin / tuntinopeuden sitä sovelletaan 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 mekaaniseksi aktiivisuudeksi nesteessä. Tämä johtaa huomattavasti alhaisempiin käsittelykustannuksiin.
Alla olevien linkkien jälkeen voit lukea lisää korkean suorituskyvyn ultraäänen käytöstä
- polymeerien emulgointi vesijärjestelmissä,
- pigmenttien dispergointi ja hieno jauhaminen,
- ja nanomateriaalien koon pienentäminen.
Emulsiopolymerointi sonikaatiolla
Perinteiset pinnoiteformulaatiot käyttävät polymeerikemian perusarvoa. Muutos vesiohenteiseen pinnoitusteknologiaan vaikuttaa raaka-aineiden valintaan, ominaisuuksiin ja formulointimenetelmiin.
Tavanomaisessa emulsiopolymeroinnissa, esimerkiksi vesiohenteisissa pinnoitteissa, hiukkaset rakennetaan keskeltä pintaan. Kineettiset tekijät vaikuttavat hiukkasten homogeenisuuteen ja morfologiaan.
Ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää kahdella tavalla: tuottaa polymeeriemulsioita.
- Ylhäältä alas: Emulgointiaine/Purkamalla suuremmista polymeerihiukkasista pienempien hiukkasten tuottamiseksi kokoa pienentämällä
- Alhaalta ylös: Ultraäänen käyttö ennen hiukkasten polymerointia tai sen aikana
Nanohiukkaspolymeerit miniemulsioissa
Hiukkasten polymerointi miniemulsioissa mahdollistaa dispergoitujen polymeerihiukkasten valmistuksen, joilla on hyvä hiukkaskoon hallinta. Nanohiukkaspolymeerihiukkasten synteesi miniemulsioissa (tunnetaan myös nimellä nanoreaktorit), kuten K. Landfester (2001) esittää, on erinomainen menetelmä polymeeristen nanohiukkasten muodostamiseksi. Tässä lähestymistavassa käytetään suurta määrää pieniä nano-osastoja (dispergointifaasi) emulsiossa nanoreaktoreina. Näissä hiukkaset syntetisoidaan hyvin yhdensuuntaisesti yksittäisissä, suljetuissa pisaroissa. Landfester (2001) esittää artikkelissaan polymeroinnin nanoreaktoreissa erittäin täydellisesti lähes samankokoisten erittäin identtisten hiukkasten tuottamiseksi. Yllä olevassa kuvassa on hiukkasia, jotka on saatu ultraäänellä avustetulla polyadditiolla miniemulsioissa.
Pienet pisarat, jotka syntyvät korkean leikkauksen (ultrasonication) levittämisestä ja stabiloidaan stabilointiaineilla (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 hyvän hallinnan lopullisesta hiukkaskoosta. Nanohiukkasten polymeroimiseksi hydrofiiliset monomeerit voidaan emulgoida orgaaniseksi faasiksi ja hydrofobisiksi monomeereiksi vedessä.
Kun hiukkaskokoa pienennetään, hiukkasten kokonaispinta-ala kasvaa samanaikaisesti. Vasemmalla oleva kuva näyttää hiukkaskoon ja pinta-alan välisen korrelaation pallomaisten hiukkasten tapauksessa. Siksi emulsion stabilointiin tarvittava 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 pinnoitteissa
Orgaaniset ja epäorgaaniset pigmentit ovat tärkeä osa pinnoiteformulaatioita. Pigmentin suorituskyvyn maksimoimiseksi tarvitaan hiukkaskoon hyvä hallinta. Kun pigmenttijauhetta lisätään vesiohenteisiin, liuotinpohjaisiin tai epoksijärjestelmiin, yksittäiset pigmenttihiukkaset pyrkivät muodostamaan suuria agglomeraatteja. Suuria leikkausmekanismeja, kuten roottori-staattorisekoittimia tai sekoittimen helmimyllyjä, käytetään tavallisesti tällaisten agglomeraattien hajottamiseen ja yksittäisten pigmenttihiukkasten jauhamiseen. Ultrasonication erittäin tehokkaassa vaihtoehdossa tälle vaiheelle pinnoitteiden valmistuksessa.
Alla olevat kaaviot osoittavat sonikoinnin vaikutuksen helmikiiltopigmentin kokoon. Ultraääni jauhaa yksittäiset pigmenttihiukkaset nopealla hiukkasten välisellä törmäyksellä. Ultrasonicationin merkittävä etu on kavitaatioleikkausvoimien suuri vaikutus, mikä tekee hiomamateriaalin (esim. helmet, helmet) käytön tarpeettomaksi. Kun hiukkasia kiihdyttävät äärimmäisen nopeat nestesuihkut, joiden nopeus on jopa 1000 km / h, törmäävät väkivaltaisesti ja hajoavat pieniksi paloiksi. Hiukkasten hankaus antaa ultraäänellä jauhetuille hiukkasille sileän pinnan. Kaiken kaikkiaan ultraäänijyrsintä ja dispersio johtavat hienokokoiseen ja yhtenäiseen hiukkasjakaumaan.
Ultraäänijyrsintä ja helmikiiltopigmenttien dispersio. Punainen kaavio näyttää hiukkaskokojakauman ennen sonikaatiota, vihreä käyrä on sonikoinnin aikana, sininen käyrä näyttää lopulliset pigmentit ultraäänidispersion jälkeen.
Ultraäänijyrsintä ja dispergointi ylittävät usein nopeat sekoittimet ja väliainemyllyt, koska sonikaatio tarjoaa kaikkien hiukkasten johdonmukaisemman käsittelyn. Yleensä ultrasonication tuottaa pienempiä hiukkaskokoja ja kapean hiukkaskokojakauman (pigmentin jyrsintäkäyrät). Tämä parantaa pigmenttidispersioiden yleistä laatua, koska suuremmat hiukkaset häiritsevät tyypillisesti prosessointikykyä, kiiltoa, kestävyyttä ja optista ulkonäköä.
Koska hiukkasten jyrsintä ja jauhaminen perustuu hiukkasten väliseen törmäykseen ultraäänikavitaation seurauksena, ultraäänireaktorit pystyvät käsittelemään melko suuria kiinteitä pitoisuuksia (esim. pääerät) ja tuottavat silti hyviä koon pienentämisvaikutuksia. Alla olevassa taulukossa on kuvia TiO2:n märkäjyrsinnästä.
Kuulajyrsitty TiO2 ennen ultraäänijyrsintää ja sen jälkeen
Ruiskukuivattu TiO2 ennen ultraäänijyrsintää ja sen jälkeen
Alla oleva kaavio näyttää hiukkaskokojakaumakäyrät Degussa-anataasititaanidioksidin deagglomeraatiolle ultraäänellä. Käyrän kapea muoto sonikoinnin jälkeen on tyypillinen piirre ultraäänikäsittelyssä.
Ultraäänellä dispergoitu TiO2 (Degussa anatase) osoittaa kapean hiukkaskokojakauman.
Nanokokoiset materiaalit korkean suorituskyvyn pinnoitteissa
Nanoteknologia on kehittyvä teknologia, joka on tulossa monille teollisuudenaloille. Nanomateriaaleja ja nanokomposiitteja käytetään pinnoitekoostumuksissa esimerkiksi parantamaan hankaus- ja naarmuuntumiskestävyyttä tai UV-stabiilisuutta. Pinnoitteiden suurin haaste on läpinäkyvyyden, selkeyden ja kiillon säilyttäminen. Siksi nanohiukkasten on oltava hyvin pieniä, jotta vältetään häiriöt valon näkyvään spektriin. Monissa sovelluksissa tämä on huomattavasti alle 100 nm.
Korkean suorituskyvyn komponenttien märkähionta nanometrialueelle tulee ratkaisevaksi vaiheeksi nanoteknisten pinnoitteiden muotoilussa. Kaikki hiukkaset, jotka häiritsevät näkyvää valoa, aiheuttavat sameutta ja läpinäkyvyyden menetystä. Siksi tarvitaan hyvin kapeita kokojakaumia. Ultrasonication on erittäin tehokas keino kiintoaineiden hienoon jauhamiseen. Ultraääni / akustinen kavitaatio nesteissä aiheuttaa nopeita hiukkasten välisiä törmäyksiä. Toisin kuin perinteiset helmimyllyt ja kivimyllyt, hiukkaset itse jauhavat toisiaan, mikä tekee jyrsintäaineista tarpeettomia.
Yritykset, kuten Panadur (Saksa) käytä Hielscher-ultraääniastioita nanomateriaalien dispergointiin ja deagglomerointiin muottipinnoitteissa. Klikkaa tästä lukeaksesi lisää muottipinnoitteiden ultraäänidispersiosta!
Syttyvien nesteiden tai liuottimien sonikointiin vaarallisissa ympäristöissä on saatavana ATEX-sertifioituja prosessoreita. Lisätietoja Atex-sertifioidusta ultraäänilaitteesta UIP1000-Exd!
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
MultiSonoReactor MSR-4 on teollinen inline-homogenisaattori, joka soveltuu pigmentti- ja polymeeridispersioiden teolliseen tuotantoon.
Kirjallisuus
- Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, in: Ultrasonics Sonochemistry 7, 2000. 77-85.
- Behrend, O., Schubert, H. (2001): Influence of hydrostatic pressure and gas content on continuous ultrasound emulsification, in: Ultrasonics Sonochemistry 8, 2001. 271-276.
- Landfester, K. (2001): The Generation of Nanoparticles in Miniemulsions; in: Advanced Materials 2001, 13, No 10, May17th. Wiley-VCH.
- Hielscher, T. (2005): Ultrasonic Production of Nano-Size Dispersions and Emulsions, in: Proceedings of European Nanosystems Conference ENS’05.
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita laboratorio jotta Teollisuuden koko.