Formulations d'adhésifs haute performance – Amélioration par dispersion ultrasonique

Les adhésifs haute performance sont composés de systèmes époxy, silicone, polyuréthane, polysulfure ou acrylique 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 viabilité. Un mélange efficace et fiable est nécessaire pour formuler des adhésifs de haute performance. La dispersion et l'émulsification par ultrasons sont utilisées pour combiner divers composants de manière uniforme dans des mélanges d'adhésifs homogènes. La sonication en ligne permet de mélanger de manière fiable et efficace des matériaux très visqueux et des charges nanométriques élevées, produisant ainsi des adhésifs de qualité supérieure.

Forces ultrasoniques de cisaillement élevé pour la dispersion d'adhésifs de haute performance

Les adhésifs haute performance offrent une force d'adhérence, une durabilité et une légèreté extraordinaires. En fonction de l'application finale, des polymères, des copolymères et de multiples additifs sont formulés selon des recettes élaborées.

Les systèmes époxy, silicone, polyuréthane et acrylique pour adhésifs et colles sont produits par des formulateurs qui modifient la base de l'adhésif en ajoutant des 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 ont plusieurs objectifs, tels que l'amélioration des performances et/ou de la facilité de traitement ou la réduction des coûts. Les disperseurs ultrasoniques à haut cisaillement sont idéaux pour formuler différents systèmes époxy en ligne et permettent la production flexible d'adhésifs adaptés aux exigences d'applications particulières.

Mélangeurs ultrasoniques à haut cisaillement pour les applications exigeantes de dispersion et d'émulsion

Les processeurs ultrasoniques haute performance fonctionnent comme des mélangeurs à haut cisaillement. Les forces de cisaillement extrêmes sont générées par la cavitation ultrasonique/acoustique et sont idéales pour les applications d'émulsification, de dispersion, de broyage, de désagglomération et d'homogénéisation par lots et en ligne. Les disperseurs ultrasoniques en ligne permettent de traiter facilement des concentrations solides et des viscosités faibles à élevées.

Mélange ultrasonique à cisaillement élevé de nanomatériaux dans des adhésifs

Les nanomatériaux tels que les nanotubes de carbone (NTC), les nanoparticules métalliques, la nano-silice, les nano-argiles, les nanofibres et de nombreuses autres particules de taille nanométrique sont utilisés pour produire des polymères nanorenforcés (nanocomposites). Les nanoparticules sont bien connues pour leur capacité à modifier les propriétés mécaniques (par exemple, la rigidité, l'élasticité), les propriétés électriques (par exemple, la conductivité), les propriétés fonctionnelles (par exemple, la perméabilité, la température de transition vitreuse, le module) et la performance de rupture des adhésifs polymères thermodurcissables. Les nanomatériaux ne confèrent pas seulement des propriétés spéciales de haute performance telles que la force d'adhérence, la durabilité, la conductivité, l'élasticité ou la résistance à la chaleur ; l'ajout de particules nanostructurées peut également améliorer les propriétés de barrière 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'est-à-dire le broyage ultrasonique). Lorsque ces forces ultrasoniques sont appliquées à des systèmes polymères contenant des nanoparticules et d'autres charges, on obtient une formulation très uniforme. La dispersion ultrasonique est une méthode économe en énergie qui consomme moins d'énergie que les méthodes conventionnelles de mélange par cisaillement, telles que les mélangeurs à pales à cisaillement élevé, les mélangeurs à hélice ou les broyeurs.

Kaboori et al. (2013) ont démontré que l'ultrasonication est une méthode efficace pour disperser les structures en couches de la montmorillonite (MMT) et développer des adhésifs PVA renforcés de MMT. L'ultrasonication s'est avérée fiable et efficace pour disperser la nano-argile dans le PVA à des charges faibles (1 % et 2 %) et élevées (4 %).
L’équipe de recherche a constaté que l' “La technique par ultrasons est très efficace pour disperser la nanoargile, en particulier à des charges élevées, contrairement au mélangeur à grande vitesse de cisaillement. Le mélange à grande vitesse ne pourrait disperser la nanoargile dans le PVA qu’à de faibles charges et à une force d’adhérence accrue du PVA dans différentes conditions. Le mélange à grande vitesse présente certains inconvénients : dommages possibles à l’émulsion PVA (en raison de la forte force de cisaillement utilisée lors du mélange), coût élevé et consommation d’énergie élevée. En revanche, la technique des ultrasons a un impact négatif minimal sur l’émulsion PVA. De plus, la technique des ultrasons est économique car le mélange par ultrasons peut avoir lieu avant la production de PVA et la solution contenant de la nanoargile peut être ajoutée au PVA pendant le processus de production. En considérant les résultats obtenus à partir de cet article et de nos travaux précédents et en considérant les avantages de la technique des ultrasons par rapport au mélange à grande vitesse, l’ajout de nanoargile au PVA à l’échelle industrielle semble réalisable et peut être recommandé aux fabricants de colle à bois.” (Kaboori et al., 2013)

Effets du dégazage ultrasonique dans la production d'adhésifs

Un autre avantage de la sonication, qui améliore considérablement les résultats de la formulation, est l'effet de dégazage du traitement ultrasonique. L'agitation mécanique à grande vitesse (par exemple, les mélangeurs à lames à cisaillement élevé) produit un grand nombre de bulles de gaz dans le mélange, qui, dans certains cas, peuvent même être remarquées en raison de la couleur vive du mélange. Le mélange ultrasonique à cisaillement élevé présente l'énorme avantage que la technique de sonication n'incorpore pas de gaz dans la formulation de l'adhésif, mais que les ondes ultrasoniques forcent les bulles de gaz déjà présentes à coalescer et à flotter à la surface du liquide, d'où le gaz peut être facilement éliminé. Ainsi, les ultrasons favorisent le dégazage et la désaération des liquides et des formulations adhésives. (cp. Shadlou et al., 2014)

Disperseurs ultrasoniques haute performance pour les formulations d'adhésifs industriels

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

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