Divers composants, tels que des pigments, des charges, des additifs chimiques, des agents de réticulation et des modificateurs de rhéologie entrent dans des formulations de revêtement et de peinture. L'échographie est un moyen efficace pour la dispersion et l'émulsification, la désagglomération et le broyage de tels composants dans des revêtements.

L'échographie est utilisée dans la formulation de revêtements pour:

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

Les revêtements se répartissent en deux grandes catégories : les résines et les revêtements à base d'eau et de solvants. Chaque type a ses propres défis. Les directives appelant à la réduction des COV et les prix élevés des solvants stimulent la croissance des technologies de revêtement à base de résine aqueuse. L'utilisation des ultrasons peut améliorer les performances de ces systèmes écologiques.

Formulation améliorée des revêtements grâce à l'ultrasonication

Les ultrasons peuvent aider les formulateurs de revêtements pour l'architecture, l'industrie, l'automobile et le bois à améliorer les caractéristiques des revêtements, telles que la solidité des couleurs, la résistance aux rayures, aux fissures et aux UV ou la conductivité électrique. Certaines de ces caractéristiques de revêtement sont obtenues par l'inclusion de matériaux de taille nanométrique, par exemple des oxydes métalliques (TiO₂, Silice, oxyde de cérium, ZnO, …).

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

Étant donné que la technologie de dispersion par ultrasons peut être utilisée en laboratoire, sur banc d'essai et au niveau de la production industrielle, et qu'elle permet des débits supérieurs à 10 tonnes/heure, elle est appliquée dans le cadre du programme R&D et dans la production commerciale. Les résultats du processus peuvent être mis à l'échelle facilement et linéairement.

Les appareils à ultrasons Hielscher sont très économes en énergie. Ils convertissent environ 80 à 90 % de la puissance électrique d'entrée en activité mécanique dans le liquide. Cela permet de réduire considérablement les coûts de traitement.

En suivant les liens ci-dessous, vous pourrez en savoir plus sur l'utilisation des ultrasons de haute performance pour la

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

Polymérisation en émulsion par sonication

Les formulations traditionnelles de revêtements font appel à la chimie de base des polymères. Le passage à la technologie des revêtements à base d'eau a un impact sur la sélection des matières premières, les propriétés et les méthodologies de formulation.

Dans la polymérisation en emulsion classique, par exemple pour des revêtements d'origine hydrique, les particules sont construits à partir du centre de leur surface. Les facteurs influencent l'homogénéité cinétique et la morphologie des particules.

traitement par ultrasons peut être utilisé de deux manières de générer des émulsions polymères.

• De haut en bas: Émulsion/Dispersion de plus grosses particules de polymère pour produire des particules plus petites par réduction de taille
• De bas en haut: Utilisation d'ultrasons avant ou pendant la polymérisation des particules

 

 

Les polymères nanoparticulaires dans miniemulsions

La polymérisation de particules dans des miniémulsions permet de fabriquer des particules polymères dispersées avec un bon contrôle de la taille des particules. La synthèse de particules polymères nanoparticulaires dans des miniémulsions (également appelées nanoréacteurs), telle que présentée par K. Landfester (2001), est une excellente méthode pour la formation de nanoparticules polymères. Cette approche utilise le nombre élevé de petits nanocompartiments (phase dispersée) dans une émulsion comme nanoréacteurs. Dans ces derniers, les particules sont synthétisées de manière hautement parallèle dans les gouttelettes individuelles et confinées. Dans son article, Landfester (2001) présente la polymérisation dans des nanoréacteurs à haute perfection pour la génération de particules hautement identiques et de taille presque uniforme. L'image ci-dessus montre des particules obtenues par polyaddition assistée par ultrasons dans des miniémulsions.

Les petites gouttelettes générées par l'application d'un fort cisaillement (ultrasonication) et stabilisées par des agents stabilisants (émulsifiants), peuvent être durcies par une polymérisation ultérieure ou par une baisse de température dans le cas de matériaux fondant à basse température. Comme l'ultrasonication peut produire de très petites gouttelettes de taille presque uniforme dans le processus de production et par lots, elle permet un bon contrôle de la taille finale des particules. Pour la polymérisation des nanoparticules, les monomères hydrophiles peuvent être émulsifiés dans une phase organique, et les monomères hydrophobes dans l'eau.

En réduisant la taille des particules, la surface totale des particules augmente en même temps. 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 d'agent de surface nécessaire pour stabiliser l'émulsion augmente presque linéairement avec la surface totale des particules. Le type et la quantité d'agent de surface influencent la taille des gouttelettes. Des gouttelettes de 30 à 200 nm peuvent être obtenues en utilisant des tensioactifs anioniques ou cationiques.

Pigments dans les revêtements

Les pigments organiques et inorganiques sont un composant important des formulations de revêtement. Afin de maximiser les performances des pigments, un bon contrôle de la taille des particules est nécessaire. Lors de l'ajout de pigments en poudre à des systèmes à base d'eau, de solvant ou d'époxy, les particules individuelles de pigment ont tendance à former de gros agglomérats. Les mécanismes à fort cisaillement, tels que les mélangeurs à rotor et stator ou les broyeurs à billes à agitateur, sont généralement utilisés pour briser ces agglomérats et broyer les particules de pigment individuelles. L'ultrasonication est une alternative extrêmement efficace pour cette étape de la fabrication des revêtements.

Les graphiques ci-dessous montrent l'impact de la sonication sur la taille d'un pigment de lustre perlé. Les ultrasons broient les particules individuelles de pigment par collision interparticulaire à grande vitesse. L'avantage principal de la sonication est l'impact élevé des forces de cisaillement cavitationnelles, qui rend inutile l'utilisation de supports de broyage (par exemple, des perles, des perles). Lorsque les particules sont accélérées par des jets de liquide extrêmement rapides (jusqu'à 1000 km/heure), elles se heurtent violemment et se brisent en petits morceaux. L'abrasion des particules donne aux particules broyées par ultrasons une surface lisse. Dans l'ensemble, le broyage et la dispersion par ultrasons permettent d'obtenir une distribution de particules de taille fine et uniforme.

 

Le broyage et la dispersion par ultrasons l'emportent souvent sur les mélangeurs à grande vitesse et les broyeurs à média, car la sonication permet un traitement plus uniforme de toutes les particules. En général, la sonication produit des particules de plus petite taille et une distribution granulométrique étroite (courbes de broyage des pigments). Cela améliore la qualité globale des dispersions de pigments, car les particules plus grosses interfèrent généralement avec la capacité de traitement, la brillance, la résistance et l'aspect optique.

Étant donné que le broyage et le concassage des particules sont basés sur la collision interparticulaire résultant de la cavitation ultrasonique, les réacteurs à ultrasons peuvent traiter des concentrations de solides assez élevées (par exemple, des lots maîtres) tout en produisant de bons effets de réduction de taille. Le tableau ci-dessous montre des images du broyage humide du TiO2.

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

Matériaux nanométriques dans les revêtements de haute performance

La nanotechnologie est une technologie émergente qui fait son chemin dans de nombreuses industries. 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 plus grand défi pour l'application dans les revêtements est la conservation de la transparence, de la clarté et de la brillance. Les nanoparticules doivent donc être très petites pour éviter toute interférence avec le spectre visible de la lumière. Pour de nombreuses applications, ce chiffre est nettement inférieur à 100 nm.

Le broyage humide de composants de haute performance à l'échelle nanométrique devient une étape cruciale dans la formulation de revêtements nanotechnologiques. Toute particule qui interfère avec la lumière visible provoque un voile et une perte de transparence. Par conséquent, des distributions de taille très étroites sont nécessaires. L'ultrasonication est un moyen très efficace pour le broyage fin des solides. La cavitation ultrasonique/acoustique dans les liquides provoque des collisions interparticulaires à grande vitesse. Contrairement aux broyeurs à billes et à cailloux conventionnels, les particules elles-mêmes se fragmentent les unes les autres, ce qui rend inutile le recours à des moyens de broyage.

Les sociétés, comme Panadur (Allemagne) utilisent les ultrasons Hielscher pour la dispersion et la désagglomération des nanomatériaux dans les revêtements en moule. Cliquez ici pour en savoir plus sur la dispersion par ultrasons des revêtements dans le moule !

Pour la sonication de liquides ou de solvants inflammables dans des environnements dangereux, des processeurs certifiés ATEX sont disponibles. En savoir plus sur l'ultrasoniseur UIP1000-Exd certifié Atex !