Formulations d’adhésifs haute performance – améliorées par la dispersion ultrasonore

Les adhésifs haute performance sont composés de systèmes époxy, silicone, polyuréthane, polysulfure ou acryliques contenant diverses (nano-)charges et additifs, qui confèrent à l’adhésif des performances particulières telles que la force d’adhérence, la légèreté, la durabilité, la résistance à la chaleur et la durabilité environnementale. Un mélange efficace et fiable est nécessaire pour formuler des adhésifs haute performance. La dispersion et l’émulsification par ultrasons servent à combiner uniformément divers composants en mélanges adhésifs homogènes. La sonication en ligne mélange de manière fiable et efficace même des matériaux très visqueux et des taux de nanocharges élevés, produisant ainsi des adhésifs de qualité supérieure.

Forces de cisaillement élevées des ultrasons pour la dispersion d’adhésifs haute performance

Les adhésifs haute performance offrent une force de collage, une durabilité et une légèreté extraordinaires. Selon l’application finale, des polymères, des copolymères et de multiples additifs sont formulés selon des recettes élaborées.

Les systèmes époxy, silicone, polyuréthane et acryliques destinés aux adhésifs et aux colles sont produits par des formulateurs, qui modifient la base adhésive en ajoutant des agents tackifiants, des charges minérales (talc, silice, alumine, etc.), des flexibilisants, des réducteurs de viscosité, des colorants, des épaississants, des accélérateurs, des promoteurs d’adhérence, etc. Ces modifications répondent à plusieurs objectifs, comme améliorer les performances et/ou la facilité de mise en œuvre, ou réduire les coûts. Les disperseurs ultrasonores à fort cisaillement sont idéaux pour formuler en ligne différents systèmes époxy et permettent une production flexible d’adhésifs adaptés aux exigences d’applications particulières.

Mélangeurs ultrasonores à fort cisaillement pour les applications exigeantes de dispersion et d’émulsion

Les processeurs ultrasonores haute performance fonctionnent comme des mélangeurs à fort cisaillement. Les forces de cisaillement extrêmement élevées sont générées par la cavitation ultrasonore / acoustique et sont idéales pour les applications d’émulsification, de dispersion, de broyage, de désagglomération et d’homogénéisation en batch et en ligne. Des concentrations en solides et des viscosités faibles à élevées peuvent être traitées facilement à l’aide de disperseurs ultrasonores en ligne.

Mélange ultrasonore à fort cisaillement de nanomatériaux dans les adhésifs

Des nanomatériaux tels que les nanotubes de carbone (CNT), les nanoparticules métalliques, la nano-silice, les nano-argiles, les nanofibres et de nombreuses autres particules de taille nanométrique sont utilisés afin de produire des polymères nano-renforcés (nanocomposites). Les nanoparticules sont bien connues pour leur capacité à modifier les propriétés mécaniques (par ex. rigidité, élasticité), les propriétés électriques (par ex. conductivité), les propriétés fonctionnelles (par ex. perméabilité, température de transition vitreuse, module) ainsi que le comportement à la rupture des adhésifs polymères thermodurcissables. Non seulement les nanomatériaux confèrent des propriétés haute performance particulières telles que la force d’adhérence, la durabilité, la conduciveness, l’élasticité ou la résistance à la chaleur ; l’ajout de particules nanostructurées peut aussi améliorer les propriétés barrières des polymères.
Les forces de cisaillement élevées de la cavitation acoustique générée par ultrasons sont bien connues pour leur capacité à désagglomérer et à disperser les nanoparticules, et même à briser les particules primaires (c.-à-d. broyage par ultrasons). Lorsque ces forces ultrasonores sont appliquées à des systèmes polymères contenant des nanoparticules et d’autres charges, on obtient une formulation très uniforme. La dispersion ultrasonore est une méthode économe en énergie, qui présente une consommation d’énergie inférieure à celle des méthodes conventionnelles de mélange par cisaillement telles que les mélangeurs à pales à fort cisaillement, les mélangeurs à turbine ou les broyeurs.

La vidéo montre le mélange et la dispersion par ultrasons de graphite dans 250mL de résine époxy (Toolcraft L), à l’aide d’un homogénéisateur à ultrasons (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics fabrique des équipements pour disperser le graphite, le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofils ou les charges en laboratoire ou dans des procédés de production à grande échelle. Les applications typiques comprennent la dispersion de nanomatériaux et de micromatériaux au cours du procédé de fonctionnalisation ou leur dispersion dans des résines ou des polymères.

Kaboori et al. (2013) ont démontré que l’ultrasonication est une méthode efficace pour disperser les structures lamellaires de la montmorillonite (MMT) et développer des adhésifs PVA renforcés par MMT. L’ultrasonication s’est révélée fiable et efficace pour disperser la nano-argile dans le PVA à des taux faibles (1% et 2%) et élevés (4%).
L’équipe de recherche a constaté que « la technique ultrasonore est très efficace pour disperser la nano-argile, en particulier à des taux élevés, contrairement au mélangeur à grande vitesse de cisaillement. Le mélange à grande vitesse ne permettait de disperser la nano-argile dans le PVA qu’à de faibles taux et augmentait la force d’adhérence du PVA dans différentes conditions. Le mélange à grande vitesse présente certains inconvénients : un endommagement possible de l’émulsion de PVA (en raison de la forte force de cisaillement utilisée pendant le mélange), un coût élevé et une consommation d’énergie élevée. En revanche, la technique d’ultrasonication a un impact négatif minimal sur l’émulsion de PVA. De plus, la technique d’ultrasonication est économique, car le mélange par ultrasons peut avoir lieu avant la production du PVA et la solution contenant la nano-argile peut être ajoutée au PVA pendant le processus de production. Compte tenu des résultats obtenus dans cet article et dans nos travaux antérieurs, et compte tenu des avantages de la technique d’ultrasonication par rapport au mélange à grande vitesse, l’ajout de nano-argile au PVA à l’échelle industrielle semble réalisable et peut être recommandé aux fabricants d’adhésifs pour le bois. » (Kaboori et al., 2013)

Effets de dégazage des ultrasons dans la production d’adhésifs

Un avantage supplémentaire de la sonication, qui améliore considérablement les résultats de formulation, est l’effet de dégazage du traitement par ultrasons. L’agitation mécanique à grande vitesse (par ex. mélangeurs à pales à fort cisaillement) produit un grand nombre de bulles de gaz dans le mélange, qui, dans certains cas, peuvent même être remarquées en raison de l’éclaircissement de la couleur du mélange. Le mélange ultrasonore à fort cisaillement présente l’énorme avantage que la technique de sonication n’incorpore pas de gaz dans la formulation adhésive ; au contraire, les ondes ultrasonores forcent les bulles de gaz déjà présentes à coalescer et à remonter à la surface du liquide, d’où le gaz peut être facilement éliminé. Ainsi, l’ultrasonication favorise le dégazage et la désaération des liquides et des formulations adhésives. (cf. Shadlou et al., 2014)

Disperseurs ultrasonores haute performance pour les formulations industrielles d’adhésifs

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des disperseurs ultrasonores haute performance pour des applications intensives telles que la fabrication d’adhésifs haute performance, de résines à forte teneur en charges et de nanocomposites. Les ultrasonicateurs Hielscher sont utilisés dans le monde entier pour disperser des nanomatériaux dans des polymères, des résines, des revêtements et d’autres matériaux haute performance.
Les disperseurs ultrasonores Hielscher peuvent être alimentés par divers flux d’alimentation, qui introduisent différents matériaux dans des conditions d’écoulement contrôlées dans la zone de mélange par cavitation. Les disperseurs ultrasonores sont fiables et efficaces pour traiter des viscosités faibles à élevées. Selon les matières premières et l’objectif de réduction de taille, l’intensité ultrasonore peut être réglée avec précision.
Pour traiter des pâtes polymères visqueuses, des nanomatériaux et des concentrations élevées en solides, le disperseur ultrasonore doit être capable de produire en continu des amplitudes élevées. Les processeurs ultrasonores industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées en fonctionnement continu à pleine charge. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent être facilement maintenues en fonctionnement 24/7. La possibilité de faire fonctionner un disperseur ultrasonore à des amplitudes élevées et de régler l’amplitude avec précision est nécessaire pour adapter les conditions du procédé ultrasonore à la formulation d’adhésifs haute performance, de mélanges polymères nano-renforcés et de nanocomposites.
Outre l’amplitude ultrasonore, la pression est un autre paramètre de procédé très important. Sous des pressions élevées, l’intensité de la cavitation ultrasonore et de ses forces de cisaillement est accrue. Les réacteurs ultrasonores de Hielscher peuvent être mis sous pression, ce qui permet d’obtenir des résultats de sonication intensifiés.
La surveillance du procédé et l’enregistrement des données sont importants pour la standardisation continue du procédé et la qualité du produit. Des capteurs de pression et de température enfichables se raccordent au générateur ultrasonore pour surveiller et contrôler le procédé de dispersion ultrasonore. Tous les paramètres de traitement importants, tels que l’énergie ultrasonore (nette + totale), la température, la pression et la durée, sont automatiquement consignés et enregistrés sur une carte SD intégrée. En accédant aux données de procédé enregistrées automatiquement, vous pouvez revoir les cycles de sonication précédents et évaluer les résultats du procédé.
Une autre fonction conviviale est la commande à distance par navigateur de nos systèmes ultrasonores numériques. Grâce à la commande à distance par navigateur, vous pouvez démarrer, arrêter, régler et surveiller votre processeur ultrasonore à distance, depuis n’importe où.
Contactez-nous dès maintenant pour en savoir plus sur nos disperseurs ultrasonores haute performance et leurs applications dans la production d’adhésifs et de revêtements haute performance !
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :

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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.