Ultrasons pour la Formulation de Revêtement
Divers composants, tels que les pigments, les charges, les additifs chimiques, les réticulants et les modificateurs de rhéologie, entrent dans la composition des revêtements et des peintures. Les ultrasons sont un moyen efficace de dispersion et d'émulsification, de désagglomération et de broyage de ces composants dans les revêtements.
Les ultrasons sont utilisés dans la formulation de revêtements pour :
- émulsification de polymères dans des systèmes aqueux
- dispersion et broyage fin de pigments
- réduction de la taille des nanomatériaux dans les revêtements à haute performance
Les revêtements se répartissent en deux grandes catégories : les résines et revêtements à base d'eau et les résines et revêtements à base de solvant. Chaque type a ses propres défis à relever. Les directives exigeant une réduction des COV et les prix élevés des solvants stimulent la croissance des technologies de revêtement à base de résine en phase aqueuse. L'utilisation des ultrasons peut améliorer les performances de ces systèmes respectueux de l'environnement.
Formulation améliorée de l'enrobage grâce aux ultrasons
Les ultrasons peuvent aider les formulateurs de revêtements architecturaux, industriels, automobiles et de bois à améliorer les caractéristiques du revêtement, telles que la solidité de la couleur, 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 (TiO2silice, céria, ZnO, …).
La technologie de dispersion par ultrasons peut être utilisée au niveau du laboratoire, de la paillasse et de la production industrielle, permettant des débits supérieurs à 10 tonnes/heure ; elle est donc appliquée dans le domaine de la recherche et du développement.&D et dans la production commerciale. Les résultats du processus peuvent être facilement mis à l'échelle et de manière linéaire.
Les appareils à ultrasons Hielscher sont très économes en énergie. Ils convertissent environ 80 à 90 % de la puissance électrique 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 le traitement des maladies infectieuses.
- émulsification de 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 de revêtement traditionnelles utilisent 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 méthodes de formulation.
Dans la polymérisation en émulsion conventionnelle, par exemple pour les revêtements en phase aqueuse, les particules sont construites du centre vers la surface. Les facteurs cinétiques influencent l'homogénéité et la morphologie des particules.
Le traitement par ultrasons peut être utilisé de deux manières pour générer des émulsions de polymères.
- de haut en bas: Émulsion/Dispersion des particules de polymère plus grandes pour générer des particules plus petites par réduction de la taille
- ascendant: Utilisation d'ultrasons avant ou pendant la polymérisation des particules
Polymères nanoparticulaires dans les miniémulsions
La polymérisation de particules dans des miniémulsions permet de fabriquer des particules de polymère dispersées avec un bon contrôle de la taille des particules. La synthèse de nanoparticules de polymère dans des miniémulsions (également appelées nanoréacteurs), telle que présentée par K. Landfester (2001), est une excellente méthode pour la formation de nanoparticules de polymère. Cette approche utilise le grand nombre de petits nanocompartiments (phase dispersée) d'une émulsion comme nanoréacteurs. Les particules y sont synthétisées de manière très parallèle dans les gouttelettes individuelles et confinées. Dans son article, Landfester (2001) présente la polymérisation dans des nanoréacteurs de haute perfection pour la génération de particules hautement identiques de taille presque uniforme. L'image ci-dessus montre des particules obtenues par polyaddition assistée par ultrasons dans des mini-mulsions.
Les petites gouttelettes générées par l'application d'un cisaillement élevé (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 fondant à basse température. Comme l'ultrasonication peut produire de très petites gouttelettes de taille presque uniforme dans le processus de lot et de production, elle permet un bon contrôle de la taille des particules finales. Pour la polymérisation des nanoparticules, les monomères hydrophiles peuvent être émulsifiés dans une phase organique, et les monomères hydrophobes dans l'eau.
Lorsque l'on réduit 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 agents de surface anioniques ou cationiques.
Pigments dans les revêtements
Les pigments organiques et inorganiques sont un composant important des formulations de revêtements. Afin de maximiser les performances des pigments, il est nécessaire de bien contrôler la taille des particules. Lors de l'ajout de poudre de pigment à des systèmes à base d'eau, de solvant ou d'époxy, les particules de pigment individuelles ont tendance à former de gros agglomérats. Les mécanismes à fort cisaillement, tels que les mélangeurs à rotor-stator ou les broyeurs à perles, sont traditionnellement utilisés pour briser ces agglomérats et broyer les particules de pigment individuelles. Les ultrasons constituent 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 de pigment individuelles par collision interparticulaire à grande vitesse. Le principal avantage de la sonication est l'impact élevé des forces de cisaillement cavitationnelles, qui rend inutile l'utilisation d'un support de broyage (par exemple, des billes, des perles). Lorsque les particules sont accélérées par des jets de liquide extrêmement rapides (jusqu'à 1000 km/h), elles entrent violemment en collision 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 fines et uniformes.

Broyage et dispersion par ultrasons de pigments de lustre perlé. Le graphique rouge montre la distribution de la taille des particules avant la sonication, la courbe verte est pendant la sonication, la courbe bleue montre les pigments finaux après la dispersion par ultrasons.
Le broyage et la dispersion par ultrasons surpassent souvent les mélangeurs à grande vitesse et les broyeurs à médias, car la sonication permet un traitement plus cohérent de toutes les particules. En général, les ultrasons produisent 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 nuisent généralement à la capacité de traitement, à la brillance, à la résistance et à l'aspect optique.
Étant donné que le broyage des particules est basé sur la collision interparticulaire résultant de la cavitation ultrasonique, les réacteurs ultrasoniques peuvent traiter des concentrations solides relativement élevées (par exemple, des lots maîtres) tout en produisant de bons effets de réduction de la taille. Le tableau ci-dessous présente des images du broyage humide de 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 ultrasons. La forme étroite de la courbe après la sonication est une caractéristique typique du traitement par ultrasons.

Le TiO2 dispersé par ultrasons (Degussa anatase) présente une distribution étroite de la taille des particules.
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, cette taille est nettement inférieure à 100 nm.
Le broyage humide de composants de haute performance à l'échelle du nanomètre 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. C'est pourquoi des distributions de taille très étroites sont nécessaires. Les ultrasons sont 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 perles et à galets conventionnels, les particules elles-mêmes se broient les unes les autres, ce qui rend inutile l'utilisation d'un agent de broyage.
Les entreprises, comme Panadur (Allemagne) utilisent des ultrasons Hielscher pour la dispersion et la désagglomération des nanomatériaux dans les revêtements en cours de moulage. 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'ultrasonificateur UIP1000-Exd certifié Atex !
Contactez nous ! / Demandez-nous !
Littérature
- 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 fabrique des homogénéisateurs à ultrasons très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.