Comment mélanger des vernis avec des nanocharges

La production de vernis exige des équipements de mélange puissants, capables de traiter des nanoparticules et des pigments, qui doivent être dispersés uniformément dans la formulation. Les homogénéisateurs à ultrasons constituent une technique de dispersion très efficace et fiable, qui assure une répartition homogène des nanoparticules dans les polymères.

Production de vernis avec des mélangeurs à ultrasons haute performance

Un vernis est décrit comme un revêtement ou un film protecteur dur, clair et transparent, formulé à partir de résines (p. ex. acrylique, polyuréthane, alkyde, gomme-laque), d’huile siccative, d’un siccatif métallique et de solvants volatils (p. ex. naphta, white-spirit ou diluant). Lorsque le vernis sèche, le solvant qu’il contient s’évapore et les constituants restants s’oxydent ou polymérisent pour former un film transparent durable. Les vernis sont principalement utilisés comme revêtements protecteurs pour les surfaces en bois, les peintures et divers objets décoratifs, tandis que les vernis à séchage UV sont utilisés dans les revêtements automobiles, les cosmétiques, l’alimentaire, la science et d’autres secteurs.

Dispersion par ultrasons de nanosilice dans un vernis

Un exemple courant de dispersion par ultrasons est l’incorporation de silices colloïdales, généralement ajoutées pour conférer aux vernis des propriétés thixotropes.
Par exemple, un vernis polyétherimide chargé de nanosilice présente une durée de vie accrue, jusqu’à trente fois supérieure à celle d’un vernis standard. La nanosilice améliore les propriétés du vernis telles que sa conductivité électrique, ses rigidités diélectriques en courant continu et en courant alternatif et sa force d’adhérence. Les disperseurs à ultrasons sont donc largement utilisés pour la production de revêtements électriquement conducteurs.
D’autres minéraux silicatés, la wollastonite, le talc, le mica, le kaolin, le feldspath et la syénite néphélinique, sont des charges bon marché, largement utilisées comme pigments dits de charge, ajoutés pour modifier la rhéologie (viscosité), la stabilité à la sédimentation et la résistance du film dans les revêtements.

Supériorité des ultrasonicateurs pour la dispersion de nanocharges prouvée par la recherche

Monteiro et al. (2014) ont comparé des technologies de dispersion courantes – à savoir le mélangeur rotor-stator, la turbine Cowles et le disperseur à ultrasons de type sonde – quant à leur efficacité pour disperser le dioxyde de titane (TiO2, anatase). La sonication s’est révélée la plus efficace pour disperser les nanoparticules dans l’eau à l’aide du polyélectrolyte Na-PAA conventionnel, et a nettement surpassé le mélange avec un rotor-stator ou une turbine Cowles.
Détails de l’étude : différentes techniques de dispersion ont été comparées afin d’identifier la plus efficace pour obtenir une suspension aqueuse de nano-TiO2 bien désagglomérée. Le sel de sodium de l’acide polyacrylique (Na-PAA), utilisé de manière conventionnelle dans l’industrie pour les dispersions aqueuses de TiO2, a servi de dispersant de référence. La fig. 1 montre les distributions granulométriques en volume (PSD) obtenues à l’aide d’un disperseur Cowles (30 min à 2000 rpm), d’un mélangeur rotor-stator (30 min à 14 000 rpm) et d’une sonication de type sonde (Hielscher UIP1000hdT, 2 min à 50% d’amplitude). « Avec le disperseur Cowles, les tailles de particules se situaient dans trois plages différentes : 40–100 nm, 350–1000 nm et 1200–4000 nm. Les agglomérats plus grands dominent clairement la distribution, ce qui montre que cette technique est inefficace. Le rotor-stator a également donné des résultats insatisfaisants, que les nanoparticules soient ajoutées en une seule fois ou progressivement au cours du mélange. La principale différence observée dans le résultat du Cowles concerne le déplacement du pic central vers les tailles de particules plus élevées, qui fusionne partiellement avec le pic situé le plus à droite. En revanche, l’utilisation des ultrasons a donné un bien meilleur résultat, avec un pic étroit centré sur 0,1 nm et deux pics beaucoup plus petits dans les plages 150–280 nm et 380–800 nm. »

Distributions granulométriques de dispersions aqueuses de nano-TiO2 (10mgmL−1, pH = 9) préparées à l’aide de différentes techniques de dispersion. La sonication donne les plus petites nanoparticules de TiO2 et les courbes de réduction de la taille des particules les plus étroites. Lorsqu’un dispersant (Na-PAA) a été utilisé, le rapport au nano-TiO2 était de 1:1.
(étude et graphique : © Monteiro et al., 2014)

TiO2 séché par atomisation avant et après broyage par ultrasons

Ce résultat concorde avec les travaux de Sato et al. (2008), qui rapportent de meilleurs résultats avec la sonication qu’avec d’autres techniques pour disperser des particules de TiO2 de taille nanométrique dans l’eau. Les ondes de choc générées par la cavitation acoustique / ultrasonore provoquent des collisions interparticulaires très intenses ainsi qu’un broyage et une désagglomération efficaces des particules en fragments uniformes à l’échelle nanométrique.
(cf. Monteiro et al., 2014)

Homogénéisateurs à ultrasons haute performance pour la production de vernis

Lorsque des nanoparticules et des nanocharges sont utilisées dans des procédés de fabrication industriels tels que la production de vernis et de revêtements, de la poudre sèche doit être mélangée de manière homogène dans une phase liquide. La dispersion de nanoparticules exige une technique de mélange fiable et efficace, qui applique suffisamment d’énergie pour briser les agglomérats afin de libérer les qualités des particules à l’échelle nanométrique. Les ultrasonicateurs sont bien connus comme des disperseurs puissants et fiables ; ils sont donc utilisés pour désagglomérer et répartir de manière homogène divers matériaux tels que la silice, les nanotubes, le graphène, les minéraux et de nombreux autres matériaux dans une phase liquide telle que les résines, les époxydes et les mélanges-maîtres pigmentaires. Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des disperseurs à ultrasons haute performance pour tout type d’application d’homogénéisation et de désagglomération.
En matière de production de nanodispersions, un contrôle précis de la sonication et un traitement par ultrasons fiable de la suspension de nanoparticules sont essentiels pour obtenir des produits haute performance. Les processeurs de Hielscher Ultrasonics vous donnent un contrôle total sur tous les paramètres de traitement importants tels que l’apport d’énergie, l’intensité ultrasonore, l’amplitude, la pression, la température et le temps de séjour. Vous pouvez ainsi ajuster les paramètres à des conditions optimisées, ce qui conduit ensuite à des nanodispersions de haute qualité telles que des suspensions de nanosilice ou de nano-TiO2.

Pour tout volume / toute capacité : Hielscher propose des ultrasonicateurs et un large portefeuille d’accessoires. Cela permet de configurer le système à ultrasons idéal pour votre application et votre capacité de production. Des petits flacons contenant quelques millilitres aux flux de grand volume de plusieurs milliers de gallons par heure, Hielscher propose la solution à ultrasons adaptée à votre procédé.
Viscosités élevées : Les systèmes à ultrasons en ligne traitent facilement des formulations pâteuses, p. ex. des mélanges-maîtres pigmentaires, dans lesquels un pigment est mélangé uniformément, à une charge en particules élevée, dans un mélange de plastifiant, de monomère et de polymère.
Robustesse : Nos systèmes à ultrasons sont robustes et fiables. Tous les ultrasonicateurs Hielscher sont conçus pour un fonctionnement 24/7/365 et nécessitent très peu d’entretien.
Convivialité : Le logiciel élaboré de nos appareils à ultrasons permet de présélectionner et d’enregistrer les réglages de sonication pour une sonication simple et fiable. Le menu intuitif est facilement accessible via un écran tactile numérique couleur. La commande à distance par navigateur vous permet d’utiliser et de surveiller l’appareil depuis n’importe quel navigateur internet. L’enregistrement automatique des données sauvegarde les paramètres de procédé de chaque cycle de sonication sur une carte SD intégrée.
Excellente efficacité énergétique : Comparés aux technologies de dispersion alternatives, les ultrasonicateurs Hielscher se distinguent par une efficacité énergétique exceptionnelle et des résultats supérieurs en matière de distribution granulométrique.
Haute qualité et robustesse : Les ultrasonicateurs Hielscher sont reconnus pour leur qualité, leur fiabilité et leur robustesse. Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui met particulièrement l’accent sur des ultrasonicateurs haute performance alliant technologie de pointe et convivialité. Bien entendu, les ultrasonicateurs Hielscher sont conformes CE et répondent aux exigences UL, CSA et RoHs.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :