Comment mélanger des vernis avec des nanocharges ?
La production de vernis nécessite un équipement de mélange puissant capable de traiter les nanoparticules et les pigments, qui doivent être uniformément dispersés dans la formulation. Les homogénéisateurs à ultrasons sont des techniques de dispersion très efficaces et fiables qui assurent une distribution homogène des nanoparticules dans les polymères.
Production de vernis à l'aide de mélangeurs ultrasoniques à haute performance
Un vernis est décrit comme un revêtement ou un film protecteur transparent et dur, formulé à partir de résines (par exemple, acrylique, polyuréthane, alkyde, gomme-laque), d'huile siccative, d'un siccatif pour métaux et de solvants volatils (par exemple, naphte, essence minérale ou diluant). Lorsque le vernis sèche, le solvant qu'il contient s'évapore et les composants restants s'oxydent ou se 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'alimentation, la science et d'autres secteurs.

Ultrasonateur UIP1000hdT (1000 watts) dispersion de nanocharges dans des vernis
Dispersion ultrasonique de la nano-silice dans le vernis
Un exemple courant de dispersion par ultrasons est l'incorporation de silices colloïdales, qui sont généralement ajoutées pour conférer aux vernis des propriétés thixotropiques.
Par exemple, un vernis polyétherimide chargé de nano-silice présente une durée de vie jusqu'à trente fois supérieure à celle d'un vernis standard. La nano-silice améliore les propriétés du vernis comme sa conductivité électrique, ses forces diélectriques en courant continu et alternatif et sa force d'adhérence. Les disperseurs ultrasoniques sont donc largement utilisés pour la production de revêtements conducteurs d'électricité.
D'autres minéraux silicatés, la wollastonite, le talc, le mica, le kaolin, le feldspath et la syénite néphélinique sont des charges bon marché et sont largement utilisés comme pigments d'extension, qui sont ajoutés pour modifier la rhéologie (viscosité), la stabilité de la sédimentation et la résistance du film dans les revêtements.
- broyage et désagglomération de nanoparticules
- mélange de nano-additifs
- dispersions de couleurs
- dispersions de pigments
- dispersions mates et brillantes
- modification du cisaillement et de la rhéologie
- dégazage & désaération des vernis
La recherche a prouvé la supériorité des ultrasons pour la dispersion des nanoparticules
Monteiro et al. (2014) ont comparé les technologies de dispersion courantes – à savoir le mélangeur rotor-stator, la roue Cowles et le disperseur à sonde ultrasonique – concernant leur efficacité à disperser le dioxyde de titane (TiO2, anatase). L'ultrasonication s'est révélée la plus efficace pour disperser les nanoparticules dans l'eau en utilisant le polyélectrolyte Na-PAA conventionnel, et a surpassé de manière significative le mélange avec un rotor-stator ou une roue de Cowles.
Détails de l'étude : Différentes techniques de dispersion ont été comparées afin d'identifier la plus efficace pour créer une suspension aqueuse de nano-TiO2 bien désagglomérée. Le sel de sodium de l'acide polyacrylique (Na-PAA), conventionnellement utilisé dans l'industrie pour les dispersions aqueuses de TiO2, a été utilisé comme dispersant de référence. La figure 1 montre les distributions de la taille des particules en volume (PSD) obtenues en utilisant le disperseur Cowles (30 min à 2000 rpm), le mélangeur rotor-stator (30 min à 14000 rpm), et l'ultrasonication de type sonde (Hielscher UIP1000hdT2 min à 50 % d'amplitude). “En utilisant le disperseur Cowles, la taille des particules se situait dans trois gammes différentes : 40-100 nm, 350-1000 nm et 1200-4000 nm. Les agglomérats les plus gros 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 pendant le temps de mélange. La principale différence observée dans le résultat de Cowles est liée au déplacement du pic central vers la taille de particule la plus élevée, qui fusionne en partie avec le pic le plus à droite. En revanche, l'utilisation d'ultrasons a donné un bien meilleur résultat, avec un pic étroit centré sur 0,1 nm et deux pics beaucoup plus petits dans les gammes 150-280 nm et 380-800 nm.”

Distributions de la taille des particules des dispersions aqueuses de nano-TiO2 (10mgmL-1, pH = 9) préparées à l'aide de différentes techniques de dispersion. L'ultrasonication donne les plus petites nanoparticules de TiO2 et les courbes de réduction de la taille des particules les plus étroites. Lorsque le dispersant (Na-PAA) a été utilisé, le rapport avec les nano-TiO2 était de 1:1.
(étude et graphique : © Monteiro et al., 2014)
Ce résultat est en accord avec les travaux de Sato et al. (2008), qui font état de meilleurs résultats avec les ultrasons qu'avec d'autres techniques pour la dispersion de particules de TiO2 nanométriques dans l'eau. Les ondes de choc créées par la cavitation acoustique/ultrasonique entraînent des collisions interparticulaires très intenses et un broyage et une désagglomération efficaces des particules en fragments uniformes à l'échelle nanométrique.
(cf. Monteiro et al., 2014)

Le TiO2 dispersé par ultrasons (Degussa anatase) présente une distribution étroite de la taille des particules.
Homogénéisateurs à ultrasons haute performance pour la production de vernis
Lorsque des nanoparticules et des nanocharges sont utilisées dans des processus de fabrication industrielle tels que la production de vernis et de revêtements, la poudre sèche doit être mélangée de manière homogène à une phase liquide. La dispersion des nanoparticules nécessite 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 ultrasons sont bien connus pour être des disperseurs puissants et fiables. Ils sont donc utilisés pour désagglomérer et distribuer de manière homogène divers matériaux tels que la silice, les nanotubes, le graphène, les minéraux et bien d'autres matériaux dans une phase liquide telle que les résines, les époxydes et les mélanges de pigments. Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des disperseurs ultrasoniques de haute performance pour tout type d'application d'homogénéisation et de désagglomération.
Lorsqu'il s'agit de produire des nano-dispersions, un contrôle précis de la sonication et un traitement ultrasonique fiable de la suspension de nanoparticules sont essentiels pour obtenir des produits de haute performance. Les processeurs de Hielscher Ultrasonics vous permettent de contrôler entièrement tous les paramètres de traitement importants tels que l'apport d'énergie, l'intensité des ultrasons, l'amplitude, la pression, la température et le temps de rétention. Vous pouvez ainsi ajuster les paramètres à des conditions optimales, ce qui permet d'obtenir une nano-dispersion de haute qualité, telle que des boues de nanosilice ou de nano-TiO2.
Pour tout volume / capacité : Hielscher propose des appareils à ultrasons et une large gamme d'accessoires. Cela permet de configurer le système ultrasonique idéal pour votre application et votre capacité de production. Qu'il s'agisse de petits flacons contenant quelques millilitres ou de flux à haut volume de plusieurs milliers de gallons par heure, Hielscher propose la solution ultrasonique adaptée à votre processus.
Viscosités élevées : Les systèmes ultrasoniques en ligne traitent facilement les formulations pâteuses, par exemple les mélanges maîtres de pigments, où un pigment est mélangé à une forte charge de particules de manière uniforme dans un mélange de plastifiant, de monomère et de polymère.
Robustesse : Nos systèmes à ultrasons sont robustes et fiables. Tous les appareils à ultrasons Hielscher sont conçus pour fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 et 365 jours par an et ne nécessitent que très peu d'entretien.
Convivialité : Le logiciel élaboré de nos appareils à ultrasons permet de présélectionner et d'enregistrer les paramètres de sonication pour une sonication simple et fiable. Le menu intuitif est facilement accessible via un écran tactile numérique coloré. La commande à distance par navigateur vous permet d'utiliser et de surveiller l'appareil via n'importe quel navigateur Internet. L'enregistrement automatique des données permet de sauvegarder les paramètres de chaque sonication sur une carte SD intégrée.
Excellente efficacité énergétique : Comparés aux autres technologies de dispersion, les ultrasons Hielscher se distinguent par une efficacité énergétique exceptionnelle et des résultats supérieurs en matière de distribution de la taille des particules.
Haute qualité & Robustesse : Les ultrasons Hielscher sont reconnus pour leur qualité, leur fiabilité et leur robustesse. Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

Dispersion ultrasonique de la silice fumée dans l'eau. Les homogénéisateurs ultrasoniques peuvent produire des nanodispersions efficaces et fiables, par ex. nanosilice.
- haute efficacité
- une technologie de pointe
- fiabilité & robustesse
- lot & en ligne
- pour tous les volumes - des petites fioles aux chargements de camions par heure
- scientifiquement prouvé
- logiciel intelligent
- caractéristiques intelligentes (par exemple, protocole de données)
- CIP (clean-in-place)
- fonctionnement simple et sûr
- installation facile, peu d'entretien
- économiquement avantageux (moins de main-d'œuvre, de temps de traitement, d'énergie)
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
---|---|---|
1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
15 à 150L | 3 à 15L/min | UIP6000hdT |
n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Littérature / Références
- S. Monteiro, A. Dias, A.M. Mendes, J.P. Mendes, A.C. Serra, N. Rocha, J.F.J. Coelho, F.D. Magalhães (2014): Stabilization of nano-TiO2 aqueous dispersions with poly(ethylene glycol)-b-poly(4-vinyl pyridine) block copolymer and their incorporation in photocatalytic acrylic varnishes. Progress in Organic Coatings, 77, 2014. 1741-1749.
- Vikash, Vimal Kumar (2020): Ultrasonic-assisted de-agglomeration and power draw characterization of silica nanoparticles. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 65, 2020.
- K. Sato, J.-G. Li, H. Kamiya, T. Ishigaki (2008): Ultrasonic dispersion of TiO2 nanoparticles in aqueous suspension. Journal of the American Ceramic Society 91, 2008. 2481– 2487.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.