Les ultrasons dans la formulation des revêtements

Divers composants, tels que les pigments, les charges, les additifs chimiques, les agents de réticulation et les modificateurs de rhéologie, entrent dans la formulation des revêtements et des peintures. Les ultrasons constituent un moyen efficace pour disperser, émulsionner, désagglomérer et broyer ces composants dans les revêtements.

Les ultrasons sont utilisés dans la formulation des revêtements pour :

• l’émulsification des polymères dans les systèmes aqueux
• la dispersion et le broyage fin des pigments
• la réduction de la taille des nanomatériaux dans les revêtements haute performance

Les revêtements se répartissent en deux grandes catégories : les résines et revêtements en phase aqueuse et ceux à base de solvants. Chaque catégorie présente ses propres défis. Les directives visant à réduire les COV et les prix élevés des solvants stimulent le développement des technologies de revêtement à base de résines en phase aqueuse. L’utilisation des ultrasons peut améliorer les performances de ces systèmes respectueux de l’environnement.

Amélioration de la formulation des revêtements grâce aux ultrasons

Les ultrasons peuvent aider les formulateurs de revêtements pour le bâtiment, l’industrie, l’automobile et le bois à améliorer les caractéristiques des revêtements, telles que le pouvoir colorant, la résistance aux rayures, à la fissuration et aux UV, ou la conductivité électrique. Certaines de ces caractéristiques sont obtenues par l’incorporation de matériaux de taille nanométrique, par exemple des oxydes métalliques (TiO₂, silice, cérine, ZnO, …).

Les ultrasons contribuent également au démoussage (bulles emprisonnées) et au dégazage (gaz dissous) des produits très visqueux. En savoir plus sur la désaération et le dégazage des liquides par ultrasons !

La technologie de dispersion par ultrasons peut être utilisée à l’échelle du laboratoire, sur des équipements de paillasse et à l’échelle de la production industrielle, avec des débits de traitement supérieurs à 10 tonnes/heure. Elle est donc employée aussi bien au stade de la R&D qu’en production commerciale. Les résultats du procédé peuvent être transposés facilement et de manière linéaire à une échelle supérieure.

Les appareils à ultrasons Hielscher présentent un rendement énergétique très élevé. Ils convertissent environ 80 à 90% de la puissance électrique absorbée en activité mécanique dans le liquide. Cela réduit considérablement les coûts de traitement.

En suivant les liens ci-dessous, vous pouvez en savoir plus sur l’utilisation des ultrasons haute performance pour

• l’émulsification des polymères dans les systèmes aqueux,
• la dispersion et le broyage fin des pigments,
• et la réduction de la taille des nanomatériaux.

Polymérisation en émulsion par sonication

Les formulations traditionnelles de revêtements reposent sur la chimie de base des polymères. Le passage aux technologies de revêtement en phase aqueuse a une incidence sur le choix des matières premières, les propriétés et les méthodes de formulation.

Dans la polymérisation en émulsion classique, par exemple pour les revêtements en phase aqueuse, les particules se construisent du centre vers leur surface. Les facteurs cinétiques influencent l’homogénéité et la morphologie des particules.

Le traitement par ultrasons peut être utilisé de deux manières pour produire des émulsions de polymères.

• Approche descendante: Émulsification/dispersion de particules de polymère de plus grande taille pour produire des particules plus petites par réduction de leur taille
• Approche ascendante: Utilisation des ultrasons avant ou pendant la polymérisation des particules

 

Dans cette vidéo, nous présentons un système à ultrasons de 2 kilowatts pour un fonctionnement en ligne, installé dans une armoire à purge. Hielscher fournit des équipements à ultrasons à presque tous les secteurs industriels, notamment la chimie, la pharmacie, la cosmétique et les procédés pétrochimiques, ainsi que pour les procédés d’extraction à base de solvants. Cette armoire à purge en acier inoxydable est conçue pour fonctionner en zones dangereuses. À cette fin, le client peut purger l’armoire étanche avec de l’azote ou de l’air frais pour empêcher les gaz ou vapeurs inflammables d’y pénétrer.

 

Polymères nanoparticulaires dans les miniémulsions

La polymérisation de particules dans des miniémulsions permet de fabriquer des particules de polymère dispersées tout en maîtrisant bien leur taille. La synthèse de particules de polymère nanoparticulaires dans des miniémulsions (également appelées nanoréacteurs), telle que présentée par K. Landfester (2001), constitue une excellente méthode pour former des nanoparticules polymériques. Cette approche utilise les nombreux petits nanocompartiments (phase dispersée) d’une émulsion comme nanoréacteurs. Les particules y sont synthétisées de manière massivement parallèle dans les gouttelettes individuelles confinées. Dans son article, Landfester (2001) présente une polymérisation en nanoréacteurs très maîtrisée, permettant de produire des particules extrêmement semblables, de taille presque uniforme. L’image ci-dessus montre des particules obtenues par polyaddition assistée par ultrasons dans des miniémulsions.

Les petites gouttelettes produites par l’application d’un cisaillement élevé (traitement par ultrasons) et stabilisées par des agents stabilisants (émulsifiants) peuvent être durcies par une polymérisation ultérieure ou par une diminution de la température dans le cas de matériaux à faible température de fusion. Comme le traitement par ultrasons peut produire de très petites gouttelettes de taille presque uniforme, aussi bien dans les procédés par lots qu’en production, il permet de bien maîtriser la taille finale des particules. Pour la polymérisation des nanoparticules, les monomères hydrophiles peuvent être émulsionnés dans une phase organique, et les monomères hydrophobes dans l’eau.

Lorsque la taille des particules diminue, leur surface totale augmente simultanément. L’image de gauche montre la corrélation entre la taille des particules et leur surface dans le cas de particules sphériques. Par conséquent, la quantité de tensioactif nécessaire pour stabiliser l’émulsion augmente de manière presque linéaire avec la surface totale des particules. Le type et la quantité de tensioactif influencent la taille des gouttelettes. Des gouttelettes de 30 à 200nm peuvent être obtenues à l’aide de tensioactifs anioniques ou cationiques.

Les pigments dans les revêtements

Les pigments organiques et inorganiques constituent un composant important des formulations de revêtements. Pour maximiser les performances des pigments, il est nécessaire de bien maîtriser la taille des particules. Lors de l’ajout de poudre de pigment à des systèmes en phase aqueuse, à base de solvants ou époxy, les particules individuelles de pigment ont tendance à former de gros agglomérats. Des dispositifs à fort cisaillement, tels que les mélangeurs rotor-stator ou les broyeurs à billes agités, sont traditionnellement utilisés pour briser ces agglomérats et broyer les particules individuelles de pigment. Le traitement par ultrasons constitue une solution de remplacement extrêmement efficace pour cette étape de la fabrication des revêtements.

Les graphiques ci-dessous montrent l’effet de la sonication sur la taille d’un pigment nacré. Les ultrasons broient les particules individuelles de pigment par des collisions interparticulaires à grande vitesse. Le principal avantage du traitement par ultrasons réside dans l’effet intense des forces de cisaillement dues à la cavitation, qui rend inutile l’utilisation de corps broyants (par exemple des billes ou des perles). Les particules étant accélérées par des jets de liquide extrêmement rapides, atteignant jusqu’à 1000km/hr, elles entrent violemment en collision et se fragmentent en petits morceaux. L’abrasion des particules confère aux particules broyées par ultrasons une surface lisse. Globalement, le broyage et la dispersion par ultrasons produisent une distribution uniforme de particules de petite taille.

 

Le broyage et la dispersion par ultrasons surpassent souvent les mélangeurs à grande vitesse et les broyeurs à corps broyants, car la sonication assure un traitement plus homogène de toutes les particules. En général, le traitement par ultrasons produit des particules plus petites et une distribution granulométrique étroite (courbes de broyage des pigments). Cela améliore la qualité globale des dispersions de pigments, car les particules de plus grande taille nuisent généralement à l’aptitude à la mise en œuvre, à la brillance, à la résistance et à l’aspect optique.

Comme le broyage et la fragmentation des particules reposent sur les collisions interparticulaires provoquées par la cavitation ultrasonore, les réacteurs à ultrasons peuvent traiter des concentrations en solides relativement élevées (par exemple des mélanges maîtres) tout en assurant une bonne réduction de taille. Le tableau ci-dessous présente des images du broyage humide du TiO2.

Le graphique ci-dessous montre les courbes de distribution granulométrique pour la désagglomération par ultrasons du dioxyde de titane anatase de Degussa. La forme étroite de la courbe après sonication est une caractéristique typique du traitement par ultrasons.

Matériaux de taille nanométrique dans les revêtements haute performance

La nanotechnologie est une technologie émergente qui s’implante dans de nombreux secteurs industriels. Les nanomatériaux et les nanocomposites sont utilisés dans les formulations de revêtements, par exemple pour améliorer la résistance à l’abrasion et aux rayures ou la stabilité aux UV. Le principal défi de leur application dans les revêtements consiste à préserver la transparence, la limpidité et la brillance. Les nanoparticules doivent donc être très petites pour éviter toute interférence avec le spectre visible de la lumière. Pour de nombreuses applications, leur taille doit être nettement inférieure à 100nm.

Le broyage humide de composants haute performance jusqu’à l’échelle nanométrique devient une étape cruciale dans la formulation de revêtements conçus à l’échelle nanométrique. Toute particule qui interfère avec la lumière visible provoque un voile et une perte de transparence. Des distributions granulométriques très étroites sont donc nécessaires. Le traitement par ultrasons constitue un moyen très efficace pour le broyage fin des solides. La cavitation ultrasonore / acoustique dans les liquides provoque des collisions interparticulaires à grande vitesse. Contrairement aux broyeurs à billes et aux broyeurs à galets classiques, les particules se fragmentent mutuellement, ce qui rend les corps broyants inutiles.

Des entreprises telles que Panadur (Allemagne) utilisent des appareils à ultrasons Hielscher pour la dispersion et la désagglomération de nanomatériaux dans les revêtements appliqués dans le moule. Cliquez ici pour en savoir plus sur la dispersion par ultrasons des revêtements appliqués dans le moule !

Des processeurs certifiés ATEX sont disponibles pour la sonication de liquides ou de solvants inflammables dans des environnements dangereux. En savoir plus sur l’appareil à ultrasons UIP1000-Exd certifié ATEX !