Ultrasons pour la dispersion et le broyage : peintures et pigments

Les ultrasons de puissance sont bien connus pour leurs effets intenses et précisément contrôlables de broyage et de dispersion. Les homogénéisateurs à ultrasons sont donc idéaux pour la production de pâtes pigmentaires et de formulations de peinture. Les appareils à ultrasons industriels assurent une distribution granulométrique très uniforme à l’échelle micrométrique et nanométrique. Traitez des flux de grand volume et de viscosité élevée avec les sonicateurs Hielscher pour obtenir un mouillage, une dispersion, une désagglomération et un broyage homogènes !

Fabrication de peintures par ultrasons

Améliorez vos peintures, couleurs et revêtements grâce à la sonication :

• Formulation : Qu’il s’agisse de viscosités élevées, de fortes charges en particules ou de formulations à base d’eau ou de solvants – les appareils à ultrasons industriels en ligne Hielscher vous permettent de traiter toute formulation.
• Tailles micrométriques et nanométriques : Les forces de cisaillement élevées générées par la cavitation acoustique réduisent les particules à des diamètres infimes et assurent une dispersion uniforme. L’adaptation des paramètres de sonication aux exigences de vos particules et de votre formulation permet de produire de manière fiable des pigments de taille nanométrique.
• Propriétés optiques : Pour obtenir les propriétés optiques appropriées, il faut contrôler la taille des particules de pigment. Habituellement, l’opacité est corrélée à la taille des particules : plus les particules sont fines, plus l’opacité est élevée. Par exemple, le TiO2 est spécifiquement traité pour atteindre une taille de particules de 0,20 à 0,3 micron, ce qui correspond approximativement à la moitié de la longueur d’onde de la lumière. La sonication réduit les pigments de TiO2 à leur taille optimale, afin d’obtenir un pouvoir masquant maximal.
• Particules hautes performances : Des particules plus petites permettent d’obtenir une saturation des couleurs, une constance des couleurs et une stabilité accrues. Les forces ultrasonores intenses, mais précisément contrôlables, permettent de produire des nanoparticules modifiées et fonctionnalisées, telles que des particules enrobées, des SWNTs, des MWCNTs et des particules cœur–coquille. Ces particules présentent des caractéristiques uniques et portent les formulations de peinture ou de revêtement à un nouveau niveau de qualité et de fonctionnalité (par exemple, résistance aux UV, résistance aux rayures, résistance mécanique, adhérence, résistance élevée à la chaleur, réflectivité infrarouge et solaire).
• Particules modifiées : Les pigments dont la surface est modifiée présentent une très faible viscosité à des charges pigmentaires élevées (2,5cP à 10% de matières solides), une stabilité supérieure en suspension et une grande pureté. La fonctionnalisation des particules assistée par ultrasons simplifie la synthèse de pigments hautes performances aux caractéristiques particulières.

Les pâtes pigmentaires broyées et dispersées à l’aide de la cavitation ultrasonore et de forces de cisaillement élevées présentent une réduction significative de la taille des particules et une distribution uniforme. Le graphique ci-dessus montre que la réduction de taille s’accentue lorsque l’énergie ultrasonore augmente.

Pour produire de la peinture, les composants tels que les pigments, les liants/agents filmogènes, les diluants/solvants, les résines, les charges et les additifs doivent être mélangés pour former une formulation homogène. Les pigments sont le composant déterminant qui donne sa couleur à la peinture. Le pigment blanc le plus important est le TiO2, qui doit être broyé jusqu’à une taille optimale de particules comprise entre 0,2 et 0,3 microns de diamètre afin de présenter le degré souhaité de blancheur, de luminosité et d’opacité ainsi qu’un indice de réfraction très élevé. Les forces de cisaillement ultrasonores assurent une désagglomération et une dispersion des particules de TiO2 très efficaces et économes en énergie (voir l’image ci-dessous).

Images en microscopie électronique en transmission (MET) d’une suspension de nanoparticules de TiO2 dispersées par ultrasons, à différentes concentrations en matières solides. La sonication a été réalisée avec le sonicateur UIP1000hdT
À gauche : apport d’énergie ultrasonore de 1,8 × 10⁵ J/L – À droite : apport d’énergie ultrasonore de 5,4 × 10⁵ J/L
(Étude et images : ©Fasaki et al., 2012)

 
Le broyage et la dispersion par ultrasons améliorent la qualité de la peinture en renforçant son pouvoir colorant, sa densité, sa finesse de broyage, sa dispersion et sa rhéologie.

Conditions de dispersion et de broyage par ultrasons

La qualité des peintures et des revêtements repose sur la dispersion homogène des pigments. Hielscher Ultrasonics fournit des équipements de broyage efficaces pour la dispersion des peintures, en particulier pour les formulations à forte charge pigmentaire. Le mécanisme des disperseurs à ultrasons pour les applications de broyage, de désagglomération et de dispersion repose principalement sur le principe du cisaillement généré par la cavitation ultrasonore. Les forces de cisaillement dues à la cavitation, nécessaires à la dissociation des particules, sont produites par de fortes différences de pression, des points chauds locaux et des jets de liquide, qui entraînent la fragmentation des particules par collisions entre elles.
Les disperseurs à ultrasons industriels tels que le UIP16000hdT, avec 16 000 watts par sonde ultrasonore, sont capables de traiter des flux de grand volume de peintures et de revêtements.

La peinture à la craie traitée par sonication, observée sur la jauge de finesse de broyage, démontre une désagglomération parfaitement uniforme et une distribution granulométrique parfaitement uniforme des pigments

Dispersion de nanoparticules

Le broyage et la dispersion par ultrasons constituent souvent la seule méthode permettant de traiter efficacement les nanoparticules afin d’obtenir des particules primaires dispersées individuellement. Une petite taille de particules primaires se traduit par une grande surface et est corrélée à l’expression de caractéristiques et de fonctionnalités uniques des particules. Parallèlement, une taille de particules plus petite est associée à une énergie de surface élevée, entraînant une agrégation et une réactivité plus importantes ; les forces intenses de dispersion ultrasonore sont donc nécessaires pour disperser les nanoparticules de manière homogène dans la formulation.
En outre, un traitement de surface par ultrasons peut modifier les nanoparticules, ce qui améliore leur dispersibilité, la stabilité de la dispersion, leur hydrophobicité et d’autres propriétés.
Des chercheurs ont recommandé la méthode de dispersion ultrasonore comme solution privilégiée pour les nanoparticules, « car le matériau dispersé par la méthode ultrasonore est beaucoup plus pur que celui produit par broyage à billes. » [Kim et al. 2010].

La technique de dispersion ultrasonore présente de nombreux avantages par rapport aux technologies de broyage traditionnelles telles que les broyeurs à trois cylindres, à boulets ou à corps broyants.

Découvrez-en davantage sur l’homogénéisation et la dispersion par ultrasons des pigments et des colorants pour les mélanges-maîtres et les formulations de peinture !

Bibliographie / Références

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.