אולטרסאונד בפיתוח פורמולציות ציפוי

רכיבים שונים, כגון פיגמנטים, חומרי מילוי, תוספים כימיים, חומרי צילוב ומשני ריאולוגיה, משמשים בפורמולציות של ציפויים וצבעים. אולטרסאונד הוא אמצעי יעיל לפיזור, לתחלוב, לפירוק אגלומרטים ולטחינה של רכיבים אלה בציפויים.

אולטרסאונד משמש בפיתוח פורמולציות ציפוי לצורך:

• תחלוב פולימרים במערכות מימיות
• פיזור וטחינה דקה של פיגמנטים
• הקטנת גודל של ננו־חומרים בציפויים בעלי ביצועים גבוהים

ציפויים נחלקים לשתי קטגוריות רחבות: שרפים וציפויים על בסיס מים ועל בסיס ממסים. לכל סוג אתגרים משלו. הנחיות הקוראות להפחתת תרכובות אורגניות נדיפות (VOC) ומחירי ממסים גבוהים מעודדים צמיחה בטכנולוגיות של ציפויי שרף על בסיס מים. השימוש בסוניקציה יכול לשפר את ביצועיהן של מערכות ידידותיות לסביבה מסוג זה.

שיפור פורמולציות ציפוי באמצעות סוניקציה

אולטרסאונד יכול לסייע למפתחי פורמולציות של ציפויים למבנים, לתעשייה, לרכב ולעץ לשפר את תכונות הציפוי, כגון עוצמת הצבע, עמידות בפני שריטות, סדקים וקרינת UV או מוליכות חשמלית. חלק מתכונות הציפוי הללו מושגות באמצעות שילוב חומרים בגודל ננומטרי, למשל תחמוצות מתכת (TiO₂, סיליקה, תחמוצת צריום, ZnO, …).

אולטרסאונד מסייע גם בהסרת קצף (בועות כלואות) ובהסרת גזים (גז מומס) ממוצרים בעלי צמיגות גבוהה. קראו עוד על סילוק אוויר והסרת גזים מנוזלים באמצעות אולטרסאונד!

מכיוון שניתן להשתמש בטכנולוגיית פיזור אולטרסונית בקנה מידה מעבדתי, במערכות שולחניות ובייצור תעשייתי, עם קצבי תפוקה של יותר מ־10 טונות לשעה, היא מיושמת בשלב המחקר והפיתוח ובייצור המסחרי. ניתן להגדיל את קנה המידה של התהליך בקלות ובאופן ליניארי תוך שמירה על תוצאותיו.

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher יעילים מאוד מבחינה אנרגטית. המכשירים ממירים כ־80 עד 90% מההספק החשמלי המוזן לפעילות מכנית בנוזל. הדבר מוביל לעלויות עיבוד נמוכות במידה ניכרת.

בקישורים שלהלן תוכלו לקרוא עוד על השימוש באולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים לצורך

• תחלוב פולימרים במערכות מימיות,
• פיזור וטחינה דקה של פיגמנטים,
• וכן הקטנת גודל של ננו־חומרים.

פילמור באמולסיה באמצעות סוניקציה

פורמולציות ציפוי מסורתיות מבוססות על כימיה בסיסית של פולימרים. המעבר לטכנולוגיית ציפוי על בסיס מים משפיע על בחירת חומרי הגלם, על התכונות ועל שיטות פיתוח הפורמולציה.

בפילמור קונבנציונלי באמולסיה, למשל עבור ציפויים על בסיס מים, החלקיקים נבנים מהמרכז אל פני השטח שלהם. גורמים קינטיים משפיעים על ההומוגניות ועל המורפולוגיה של החלקיקים.

ניתן להשתמש בעיבוד אולטרסוני בשתי דרכים ליצירת אמולסיות פולימריות.

• מלמעלה למטה: תחלוב/פיזור של חלקיקי פולימר גדולים יותר ליצירת חלקיקים קטנים יותר באמצעות הקטנת גודלם
• מלמטה למעלה: שימוש באולטרסאונד לפני פילמור החלקיקים או במהלכו

 

בסרטון זה אנו מציגים מערכת אולטרסונית בהספק 2 קילוואט להפעלה בקו הייצור, בתוך ארון הניתן לשטיפה בגז. חברת Hielscher מספקת ציוד אולטרסוני כמעט לכל ענפי התעשייה, כגון תעשיית הכימיקלים, התרופות והקוסמטיקה, תהליכים פטרוכימיים וכן תהליכי מיצוי המבוססים על ממסים. ארון זה, העשוי מפלדת אל־חלד וניתן לשטיפה בגז, מיועד להפעלה באזורים מסוכנים. לשם כך, הלקוח יכול להזרים חנקן או אוויר צח דרך הארון האטום כדי למנוע חדירת גזים או אדים דליקים לתוכו.

 

פולימרים בצורת ננו־חלקיקים במיני־אמולסיות

פילמור חלקיקים במיני־אמולסיות מאפשר לייצר חלקיקי פולימר מפוזרים תוך שליטה טובה בגודל החלקיקים. סינתזה של חלקיקי פולימר ננומטריים במיני־אמולסיות (המוכרות גם כננו־ריאקטורים), כפי שהוצגה על ידי K. Landfester (2001), היא שיטה מצוינת ליצירת ננו־חלקיקים פולימריים. גישה זו משתמשת במספר הרב של מדורים ננומטריים קטנים (הפאזה המפוזרת) באמולסיה כננו־ריאקטורים. בתוכם, החלקיקים מסונתזים במקביל במידה רבה מאוד, בתוך הטיפות הנפרדות והמוגבלות בנפחן. במאמרה, Landfester (2001) מציגה פילמור בננו־ריאקטורים ברמת שלמות גבוהה ליצירת חלקיקים זהים במידה רבה מאוד ובעלי גודל כמעט אחיד. התמונה לעיל מציגה חלקיקים שהתקבלו באמצעות פוליאדיציה בסיוע אולטרסאונד במיני־אמולסיות.

טיפות קטנות שנוצרות באמצעות הפעלת גזירה בעוצמה גבוהה (סוניקציה) ומיוצבות באמצעות חומרים מייצבים (חומרים מתחלבים), ניתנות להקשיה באמצעות פילמור בהמשך או באמצעות הורדת הטמפרטורה במקרה של חומרים הניתכים בטמפרטורה נמוכה. מכיוון שסוניקציה יכולה לייצר טיפות קטנות מאוד בגודל כמעט אחיד בעיבוד באצוות ובתהליך הייצור, היא מאפשרת שליטה טובה בגודל החלקיקים הסופי. לצורך פילמור ננו־חלקיקים, ניתן לתחלב מונומרים הידרופיליים לתוך פאזה אורגנית, ומונומרים הידרופוביים במים.

כאשר מקטינים את גודל החלקיקים, שטח הפנים הכולל של החלקיקים גדל בו־זמנית. התמונה משמאל מציגה את הקשר בין גודל החלקיקים לשטח הפנים במקרה של חלקיקים כדוריים. לכן, כמות החומר הפעיל־שטח הדרושה לייצוב האמולסיה גדלה כמעט באופן ליניארי עם שטח הפנים הכולל של החלקיקים. הסוג והכמות של החומר הפעיל־שטח משפיעים על גודל הטיפות. ניתן לקבל טיפות בגודל של 30 עד 200nm באמצעות חומרים פעילי־שטח אניוניים או קטיוניים.

פיגמנטים בציפויים

פיגמנטים אורגניים ואי־אורגניים הם מרכיב חשוב בפורמולציות של ציפויים. כדי למקסם את ביצועי הפיגמנטים נדרשת שליטה טובה בגודל החלקיקים. בעת הוספת אבקת פיגמנט למערכות על בסיס מים, על בסיס ממס או על בסיס אפוקסי, חלקיקי הפיגמנט הנפרדים נוטים ליצור אגלומרטים גדולים. באופן מסורתי משתמשים במנגנונים בעלי כוחות גזירה גבוהים, כגון מערבלי רוטור־סטטור או טחנות חרוזים עם בוחש, כדי לפרק אגלומרטים כאלה ולטחון את חלקיקי הפיגמנט הנפרדים לגודל קטן יותר. סוניקציה היא חלופה יעילה ביותר לשלב זה בייצור ציפויים.

הגרפים שלהלן מציגים את השפעת הסוניקציה על גודלו של פיגמנט בעל ברק פנינתי. האולטרסאונד טוחן את חלקיקי הפיגמנט הנפרדים באמצעות התנגשויות בין חלקיקים במהירות גבוהה. היתרון הבולט של סוניקציה הוא ההשפעה החזקה של כוחות הגזירה הנוצרים בקוויטציה, המייתרת את השימוש באמצעי טחינה (למשל חרוזים ופנינים). כאשר החלקיקים מואצים באמצעות סילוני נוזל מהירים ביותר במהירויות של עד 1000km/hr, הם מתנגשים בעוצמה ומתנפצים לפיסות קטנות. שחיקת החלקיקים מעניקה לחלקיקים שנטחנו באולטרסאונד פני שטח חלקים. בסך הכול, טחינה ופיזור אולטרסוניים מניבים התפלגות חלקיקים אחידה בגודל קטן.

 

טחינה ופיזור אולטרסוניים עולים לעיתים קרובות בביצועיהם על מערבלים מהירים וטחנות עם גופי טחינה, שכן סוניקציה מספקת עיבוד אחיד יותר של כל החלקיקים. ככלל, סוניקציה מפיקה חלקיקים קטנים יותר והתפלגות צרה של גודל החלקיקים (עקומות טחינת פיגמנטים). הדבר משפר את האיכות הכוללת של דיספרסיות הפיגמנטים, שכן חלקיקים גדולים יותר פוגעים בדרך כלל ביכולת העיבוד, בברק, בעמידות ובמראה האופטי.

מכיוון שטחינת החלקיקים מבוססת על התנגשויות בין חלקיקים כתוצאה מקוויטציה אולטרסונית, כורים אולטרסוניים יכולים להתמודד עם ריכוזי מוצקים גבוהים למדי (למשל תרכיזי בסיס) ועדיין להשיג תוצאות טובות בהקטנת הגודל. הטבלה שלהלן מציגה תמונות של טחינה רטובה של TiO2.

הגרף שלהלן מציג את עקומות התפלגות גודל החלקיקים עבור פירוק אגלומרטים של טיטניום דו-חמצני מסוג אנטאז מתוצרת Degussa באמצעות סוניקציה. הצורה הצרה של העקומה לאחר הסוניקציה היא מאפיין טיפוסי של עיבוד אולטרסוני.

חומרים בגודל ננומטרי בציפויים בעלי ביצועים גבוהים

ננוטכנולוגיה היא טכנולוגיה מתפתחת המפלסת את דרכה לתעשיות רבות. ננו-חומרים וחומרים מרוכבים ננומטריים משמשים בפורמולציות של ציפויים, למשל לשיפור העמידות בשחיקה ובשריטות או היציבות בפני קרינת UV. האתגר הגדול ביותר ביישום בציפויים הוא שמירה על שקיפות, צלילות וברק. לכן, הננו-חלקיקים חייבים להיות קטנים מאוד כדי למנוע הפרעה לספקטרום האור הנראה. ביישומים רבים נדרש גודל קטן משמעותית מ-100nm.

טחינה רטובה של רכיבים בעלי ביצועים גבוהים לטווח הננומטרי הופכת לשלב מכריע בהכנת פורמולציות של ציפויים המהונדסים ברמה הננומטרית. כל חלקיק המפריע לאור הנראה גורם לעכירות ולאובדן שקיפות. לכן נדרשות התפלגויות גודל צרות מאוד. סוניקציה היא אמצעי יעיל מאוד לטחינה דקה של מוצקים. קוויטציה אולטרסונית / אקוסטית בנוזלים גורמת להתנגשויות במהירות גבוהה בין חלקיקים. בשונה מטחנות חרוזים וטחנות חלוקי אבן קונבנציונליות, החלקיקים עצמם מרסקים זה את זה, וכך מייתרים את הצורך בגופי טחינה.

חברות כגון Panadur (גרמניה) משתמשות במכשירי אולטרסאונד של Hielscher לפיזור ולפירוק אגלומרטים של ננו-חומרים בציפויים המיושמים בתוך תבנית. לחצו כאן לקריאה נוספת על פיזור אולטרסוני של ציפויים המיושמים בתוך תבנית!

לסוניקציה של נוזלים דליקים או ממסים בסביבות מסוכנות זמינים מעבדים בעלי הסמכת ATEX. למידע נוסף על מכשיר האולטרסאונד UIP1000-Exd בעל הסמכת Atex!