Suorituskykyiset liimaformulaatiot – parannuksia ultraäänidispergoinnilla

Suorituskykyiset liimat koostuvat epoksi-, silikoni-, polyuretaani-, polysulfidi- tai akryylijärjestelmistä, jotka sisältävät erilaisia (nano-)täyteaineita ja lisäaineita. Ne antavat liimalle erityisiä ominaisuuksia, kuten liitoslujuutta, keveyttä, kestävyyttä, lämmönkestävyyttä ja vastuullisuutta. Suorituskykyisten liimojen formulointi edellyttää tehokasta ja luotettavaa sekoitusta. Ultraäänidispergoinnilla ja -emulgoinnilla eri komponentit yhdistetään tasaisesti homogeenisiksi liimaseoksiksi. Linjassa tehtävä ultraäänikäsittely sekoittaa luotettavasti ja tehokkaasti jopa erittäin viskooseja materiaaleja ja suuria nanotäyteainepitoisuuksia sisältäviä seoksia ja tuottaa erinomaisia liimoja.

Ultraäänen suuret leikkausvoimat suorituskykyisten liimojen dispergoinnissa

Suorituskykyiset liimat tarjoavat poikkeuksellista liitoslujuutta, kestävyyttä ja keveyttä. Lopullisen käyttökohteen mukaan polymeereistä, kopolymeereistä ja useista lisäaineista formuloidaan seoksia tarkoin laadittujen reseptien mukaisesti.

Liimoihin tarkoitettuja epoksi-, silikoni-, polyuretaani- ja akryylijärjestelmiä valmistavat formuloijat, jotka muokkaavat liiman perusainetta lisäämällä tarttuvuutta lisääviä aineita, mineraalitäyteaineita (talkkia, piidioksidia, alumiinioksidia jne.), joustavuutta lisääviä aineita, viskositeettia alentavia aineita, väriaineita, sakeutusaineita, kiihdyttimiä, adheesiota edistäviä aineita jne. Näillä muutoksilla on useita tarkoituksia, kuten suorituskyvyn ja/tai käsiteltävyyden parantaminen tai kustannusten vähentäminen. Suuria leikkausvoimia tuottavat ultraäänidispergointilaitteet soveltuvat ihanteellisesti erilaisten epoksijärjestelmien formulointiin linjassa ja mahdollistavat tiettyjen käyttökohteiden vaatimuksiin räätälöityjen liimojen joustavan valmistuksen.

Suuria leikkausvoimia tuottavat ultraäänisekoittimet vaativiin dispergointi- ja emulgointisovelluksiin

Suorituskykyiset ultraääniprosessorit toimivat suuria leikkausvoimia tuottavien sekoittimien tavoin. Erittäin suuret leikkausvoimat syntyvät ultraäänikavitaation eli akustisen kavitaation vaikutuksesta ja soveltuvat ihanteellisesti eräkohtaisiin ja linjassa toteutettaviin emulgointi-, dispergointi-, jauhatus-, deagglomerointi- ja homogenointisovelluksiin. Linjaan asennettavilla ultraäänidispergointilaitteilla voidaan helposti käsitellä seoksia, joiden kiintoainepitoisuudet ja viskositeetit vaihtelevat pienistä suuriin.

Nanomateriaalien sekoittaminen liimoihin ultraäänen suurilla leikkausvoimilla

Nanomateriaaleja, kuten hiilinanoputkia (CNT), metallisia nanohiukkasia, nanopiidioksidia, nanosavia, nanokuituja ja monia muita nanokokoisia hiukkasia, käytetään nanolujitettujen polymeerien (nanokomposiittien) valmistukseen. Nanohiukkaset tunnetaan hyvin kyvystään muuttaa kertamuovipolymeeriliimojen mekaanisia ominaisuuksia (esim. jäykkyyttä ja kimmoisuutta), sähköisiä ominaisuuksia (esim. johtavuutta), toiminnallisia ominaisuuksia (esim. läpäisevyyttä, lasisiirtymälämpötilaa ja moduulia) sekä murtumiskäyttäytymistä. Nanomateriaalit antavat erityisiä suorituskykyä parantavia ominaisuuksia, kuten liitoslujuutta, kestävyyttä, conduciveness-ominaisuutta, kimmoisuutta tai lämmönkestävyyttä; lisäksi nanorakenteisten hiukkasten lisääminen voi parantaa polymeerien sulkuominaisuuksia.
Ultraäänellä tuotetun akustisen kavitaation suuret leikkausvoimat tunnetaan hyvin kyvystään deagglomeroida ja dispergoida nanohiukkasia ja jopa rikkoa primäärihiukkasia (eli suorittaa ultraäänijauhatusta). Kun näitä ultraäänen voimia kohdistetaan nanohiukkasia ja muita täyteaineita sisältäviin polymeerijärjestelmiin, saadaan erittäin tasainen formulaatio. Ultraäänidispergointi on energiatehokas menetelmä, jonka energiankulutus on pienempi kuin tavanomaisten leikkausvoimiin perustuvien sekoitusmenetelmien, kuten suuria leikkausvoimia tuottavien teräsekoittimien, siipipyöräsekoittimien tai myllyjen.

Videossa näytetään grafiitin sekoitus ja dispergointi ultraäänellä 250mL:n epoksihartsimäärään (Toolcraft L) ultraäänihomogenisaattorilla (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics valmistaa laitteita grafiitin, grafeenin, hiilinanoputkien, nanolankojen ja täyteaineiden dispergointiin laboratoriossa tai suuren volyymin tuotantoprosesseissa. Tyypillisiä käyttökohteita ovat nano- ja mikromateriaalien dispergointi funktionalisointiprosessin aikana tai hartseihin ja polymeereihin.

Kaboori et al. (2013) osoittivat, että ultraäänikäsittely on tehokas menetelmä montmorilloniitin (MMT) kerrosrakenteiden dispergointiin ja MMT-lujitettujen PVA-liimojen kehittämiseen. Ultraäänikäsittely osoittautui luotettavaksi ja tehokkaaksi nanosaven dispergoinnissa PVA:han pienillä (1% ja 2%) ja suurilla (4%) täyteainepitoisuuksilla.
Tutkimusryhmä havaitsi, että ”ultraäänitekniikka on erittäin tehokas nanosaven dispergoinnissa erityisesti suurilla täyteainepitoisuuksilla, toisin kuin suuria leikkausvoimia tuottava suurnopeussekoitin. Suurnopeussekoitus pystyi dispergoimaan nanosavea PVA:han vain pienillä täyteainepitoisuuksilla ja lisäsi PVA:n liitoslujuutta eri olosuhteissa. Suurnopeussekoituksella on joitakin haittoja: mahdolliset vauriot PVA-emulsiolle (sekoituksen aikana käytetyn suuren leikkausvoiman vuoksi), korkeat kustannukset ja suuri energiankulutus. Ultraäänikäsittelytekniikalla puolestaan on minimaalinen kielteinen vaikutus PVA-emulsioon. Lisäksi ultraäänikäsittelytekniikka on taloudellinen, sillä ultraäänisekoitus voisi tapahtua ennen PVA:n valmistusta ja nanosavea sisältävä liuos voidaan lisätä PVA:han valmistusprosessin aikana. Kun otetaan huomioon tässä artikkelissa ja aiemmassa työssämme saadut tulokset sekä ultraäänikäsittelytekniikan edut suurnopeussekoitukseen verrattuna, nanosaven lisääminen PVA:han teollisessa mittakaavassa vaikuttaa toteuttamiskelpoiselta ja sitä voidaan suositella puuliimojen valmistajille.” (Kaboori et al., 2013)

Ultraäänen kaasunpoistovaikutukset liimojen valmistuksessa

Ultraäänikäsittelyn lisäetu, joka parantaa formuloinnin tuloksia merkittävästi, on käsittelyn kaasunpoistovaikutus. Nopea mekaaninen sekoitus (esim. suuria leikkausvoimia tuottavilla teräsekoittimilla) tuottaa seokseen suuren määrän kaasukuplia, mikä voidaan joissakin tapauksissa havaita jopa seoksen vaalentuneesta väristä. Suuria leikkausvoimia tuottavan ultraäänisekoituksen valtava etu on, ettei ultraäänikäsittelytekniikka tuo kaasuja liimaformulaatioon. Sen sijaan ultraääniaallot pakottavat jo olemassa olevat kaasukuplat yhdistymään ja nousemaan nesteen pinnalle, josta kaasu voidaan helposti poistaa. Näin ultraäänikäsittely edistää kaasun ja ilman poistamista nesteistä ja liimaformulaatioista. (vrt. Shadlou et al., 2014)

Suorituskykyiset ultraäänidispergointilaitteet teollisiin liimaformulaatioihin

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja toimittaa suorituskykyisiä ultraäänidispergointilaitteita vaativiin käyttökohteisiin, kuten suorituskykyisten liimojen, runsaasti täyteaineita sisältävien hartsien ja nanokomposiittien valmistukseen. Hielscher-ultraäänilaitteita käytetään maailmanlaajuisesti nanomateriaalien dispergointiin polymeereihin, hartseihin, pinnoitteisiin ja muihin suorituskykyisiin materiaaleihin.
Hielscher-ultraäänidispergointilaitteisiin voidaan syöttää materiaaleja useiden syöttövirtojen kautta, jolloin eri materiaaleja lisätään kavitaatiosekoitusvyöhykkeelle hallituissa virtausolosuhteissa. Ultraäänidispergointilaitteet käsittelevät luotettavasti ja tehokkaasti materiaaleja, joiden viskositeetit vaihtelevat pienistä suuriin. Ultraäänen intensiteettiä voidaan säätää tarkasti raaka-aineiden ja tavoitellun hiukkaskoon pienentämisen mukaan.
Viskoosien polymeeritahnojen, nanomateriaalien ja suuria kiintoainepitoisuuksia sisältävien seosten käsittely edellyttää, että ultraäänidispergointilaite pystyy tuottamaan jatkuvasti suuria amplitudeja. Hielscher Ultrasonics -yhtiön teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja jatkuvassa käytössä täydellä kuormituksella. Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan käyttää helposti ympärivuorokautisessa 24/7-käytössä. Mahdollisuus käyttää ultraäänidispergointilaitetta suurilla amplitudeilla ja säätää amplitudia tarkasti on välttämätön, jotta ultraääniprosessin olosuhteet voidaan mukauttaa suorituskykyisten liimojen, nanolujitettujen polymeeriseosten ja nanokomposiittien formulointiin.
Ultraäänen amplitudin lisäksi paine on toinen erittäin tärkeä prosessiparametri. Korotetussa paineessa ultraäänikavitaation intensiteetti ja sen leikkausvoimat kasvavat. Hielscher-ultraäänireaktorit voidaan paineistaa, jolloin saadaan tehostettuja ultraäänikäsittelytuloksia.
Prosessin seuranta ja tietojen tallennus ovat tärkeitä prosessin jatkuvan standardoinnin ja tuotteen laadun kannalta. Liitettävät paine- ja lämpötila-anturit yhdistetään johdoilla ultraäänigeneraattoriin ultraäänidispergointiprosessin seuraamista ja ohjaamista varten. Kaikki tärkeät käsittelyparametrit, kuten ultraäänienergia (netto + kokonaismäärä), lämpötila, paine ja aika, kirjataan automaattisesti ja tallennetaan sisäänrakennetulle SD-kortille. Automaattisesti tallennettujen prosessitietojen avulla voit tarkastella aiempia ultraäänikäsittelyjä ja arvioida prosessin tuloksia.
Toinen käyttäjäystävällinen ominaisuus on digitaalisten ultraäänijärjestelmiemme etäohjaus selaimella. Selaimen kautta voit käynnistää, pysäyttää, säätää ja seurata ultraääniprosessoriasi etänä mistä tahansa.
Ota meihin yhteyttä nyt ja tutustu tarkemmin suorituskykyisiin ultraäänidispergointilaitteisiimme ja niiden käyttökohteisiin suorituskykyisten liimojen ja pinnoitteiden valmistuksessa!
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

---

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.