Ultraääni dispergointiin ja jauhatukseen: maalit ja pigmentit

Tehoultraääni tunnetaan voimakkaista ja tarkasti säädettävistä jauhatus- ja dispergointivaikutuksistaan. Tämän ansiosta ultraäänihomogenisaattorit soveltuvat ihanteellisesti pigmenttipastojen ja maaliformulaatioiden valmistukseen. Teolliset ultraäänilaitteet tuottavat erittäin tasaisen hiukkaskokojakauman mikro- ja nanometrialueella. Käsittele suuren viskositeetin aineiden suuria tilavuusvirtoja ultraäänilaitteilla (Hielscher) ja saavuta tasainen kostutus, dispergointi, deagglomerointi ja jauhatus!

Maalien valmistus ultraäänellä

Paranna maalejasi, värejäsi ja pinnoitteitasi ultraäänikäsittelyllä:

• Formulaatio: Olipa kyse suuresta viskositeetista, suuresta hiukkaspitoisuudesta tai vesi- tai liuotinpohjaisesta koostumuksesta – Hielscherin teollisilla linjaan asennettavilla ultraäänilaitteilla voit käsitellä minkä tahansa formulaation.
• Mikro- ja nanometrikoko: Akustisen kavitaation synnyttämät suuret leikkausvoimat pienentävät hiukkasten halkaisijat erittäin pieniksi ja tuottavat tasaisen dispersion. Ultraäänikäsittelyn parametrien säätäminen hiukkastesi ja formulaatiosi vaatimusten mukaisiksi mahdollistaa nanokokoisten pigmenttien luotettavan valmistuksen.
• Optiset ominaisuudet: Oikeiden optisten ominaisuuksien saavuttamiseksi pigmentin hiukkaskokoa on hallittava. Yleensä peittävyys korreloi hiukkaskoon kanssa: mitä pienempi hiukkaskoko, sitä suurempi peittävyys. Esimerkiksi TiO2 käsitellään nimenomaan hiukkaskokoon 0,20–0,3 mikrometriä, joka vastaa suunnilleen puolta valon aallonpituudesta. Ultraäänikäsittely pienentää TiO2-pigmentit optimaaliseen kokoonsa, jolloin saavutetaan paras mahdollinen peittokyky.
• Suorituskykyiset hiukkaset: Pienemmät hiukkaskoot lisäävät värikylläisyyttä, värin tasaisuutta ja stabiiliutta. Voimakkaat mutta tarkasti säädettävät ultraäänivoimat mahdollistavat muokattujen ja funktionalisoitujen nanohiukkasten, kuten pinnoitettujen hiukkasten, SWNT- ja MWCNT-hiukkasten sekä ydin–kuorihiukkasten, valmistuksen. Tällaisilla hiukkasilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, ja ne nostavat maali- tai pinnoiteformulaatioiden laadun ja toiminnallisuuden uudelle tasolle (esimerkiksi UV-kestävyys, naarmuuntumiskestävyys, lujuus, tarttuvuus, hyvä lämmönkestävyys sekä infrapunasäteilyn ja auringonsäteilyn heijastuskyky).
• Muokatut hiukkaset: Pintamuokattujen pigmenttien viskositeetti on hyvin pieni suurillakin pigmenttipitoisuuksilla (2,5cP kiintoainepitoisuuden ollessa 10%), ja niillä on erinomainen suspension stabiilius ja korkea puhtaus. Ultraääniavusteinen hiukkasten funktionalisointi helpottaa erityisominaisuuksia omaavien suorituskykyisten pigmenttien syntetisointia.

Ultraäänikavitaation ja suurten leikkausvoimien avulla jauhetuissa ja dispergoiduissa pigmenttipastoissa hiukkaskoko pienenee merkittävästi ja jakauma on tasainen. Yllä oleva kuvaaja osoittaa, että hiukkaskoon pieneneminen voimistuu ultraäänienergian lisääntyessä.

Maalin valmistuksessa ainesosat, kuten pigmentit, sideaineet/kalvonmuodostajat, ohenteet/liuottimet, hartsit, täyteaineet ja lisäaineet, on sekoitettava keskenään homogeeniseksi formulaatioksi. Pigmentit ovat ratkaiseva ainesosa, joka antaa maalille sen värin. Tärkein valkoinen pigmentti on TiO2, joka on jauhettava optimaaliseen hiukkaskokoon, halkaisijaltaan 0,2–0,3 mikrometriin, jotta saavutetaan haluttu valkoisuus, kirkkaus ja peittävyys sekä erittäin korkea taitekerroin. Ultraäänen leikkausvoimat mahdollistavat TiO2-hiukkasten erittäin tehokkaan ja energiatehokkaan deagglomeroinnin ja dispergoinnin (katso alla oleva kuva).

TEM-kuva ultraäänellä dispergoidusta TiO2-nanohiukkassuspensiosta eri kiintoainepitoisuuksilla. Ultraäänikäsittelyssä käytettiin laitetta UIP1000hdT (ultraäänilaite)
Vasemmalla: syötetty ultraäänienergia 1,8 × 10⁵ J/L – Oikealla: syötetty ultraäänienergia 5,4 × 10⁵ J/L
(Tutkimus ja kuvat: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ultraäänijauhatus ja -dispergointi parantavat maalin laatua tehostamalla sen värivoimaa, tiheyttä, jauhatushienoutta, dispersiota ja reologiaa.

Ultraäänidispergoinnin ja -jauhatuksen olosuhteet

Maalien ja pinnoitteiden laatu perustuu pigmenttien homogeeniseen dispersioon. Hielscher Ultrasonics toimittaa tehokkaita jauhatus- ja hienonnuslaitteita maalien dispergointiin, erityisesti formulaatioille, joiden pigmenttipitoisuus on suuri. Ultraäänidispergointilaitteiden toimintamekanismi jauhatus-, hienonnus-, deagglomerointi- ja dispergointisovelluksissa perustuu pääasiassa ultraäänikavitaation synnyttämään leikkausvaikutukseen. Hiukkasten erottamiseen tarvittavat kavitaation leikkausvoimat syntyvät suurista paine-eroista, paikallisista kuumista pisteistä ja nestesuihkuista, minkä seurauksena hiukkaset hajoavat keskinäisissä törmäyksissä.
Teolliset ultraäänidispergointilaitteet, kuten UIP16000hdT, jonka teho on 16 000 wattia ultraäänisondia kohti, pystyvät käsittelemään maalien ja pinnoitteiden suuria tilavuusvirtoja.

Ultraäänikäsitelty liitumaali jauhatushienousmittarilla osoittaa pigmenttien täydellisen tasaisen deagglomeroinnin ja hiukkaskokojakauman

Nanohiukkasten dispergointi

Ultraäänijauhatus ja -dispergointi on usein ainoa menetelmä, jolla nanohiukkasia voidaan käsitellä tehokkaasti yksittäin dispergoitujen primäärihiukkasten saamiseksi. Pieni primäärihiukkaskoko tuottaa suuren pinta-alan ja korreloi hiukkasten ainutlaatuisten ominaisuuksien ja toiminnallisuuksien ilmenemisen kanssa. Samalla pienempi hiukkaskoko liittyy suureen pintaenergiaan, joka lisää aggregoitumista ja reaktiivisuutta, joten nanohiukkasten homogeeninen dispergointi formulaatioon vaatii voimakkaita ultraäänen dispergointivoimia.
Lisäksi ultraäänellä tehtävä pintakäsittely voi muokata nanohiukkasia, mikä parantaa dispergoituvuutta, dispersion stabiiliutta, hydrofobisuutta ja muita ominaisuuksia.
Tutkijat ovat suositelleet ultraäänidispergointia ensisijaiseksi menetelmäksi nanohiukkasille, ”koska ultraäänimenetelmällä dispergoitu materiaali on paljon puhtaampaa kuin helmijauhatuksella tuotettu materiaali.” [Kim et al. 2010].

Ultraäänidispergointitekniikalla on monia etuja verrattuna perinteisiin jauhatustekniikoihin, kuten kolmivalssi-, kuula- tai jauhinkappalemyllyihin.

Lue lisää pigmenttien ja väriaineiden ultraäänihomogenoinnista ja -dispergoinnista masterbatch-erien ja maaliformulaatioiden valmistusta varten!

Kirjallisuus / Lähteet

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.