פורמולציות של דבקים בעלי ביצועים גבוהים – שיפור באמצעות פיזור אולטרסוני

דבקים בעלי ביצועים גבוהים מורכבים ממערכות אפוקסי, סיליקון, פוליאוריתן, פוליסולפיד או אקריל, המכילות חומרי מילוי שונים, לרבות חומרי מילוי ננומטריים, ותוספים המקנים לדבק תכונות מיוחדות כגון חוזק הדבקה, משקל נמוך, עמידות, עמידות בחום וקיימות. להכנת פורמולציות של דבקים בעלי ביצועים גבוהים נדרש ערבוב יעיל ואמין. פיזור ותחלוב אולטרסוניים משמשים לשילוב אחיד של רכיבים שונים בתערובות דבק הומוגניות. סוניקציה בקו הייצור מערבבת באופן אמין ויעיל אפילו חומרים בעלי צמיגות גבוהה ותכולות גבוהות של חומרי מילוי ננומטריים, ומייצרת דבקים באיכות מעולה.

כוחות גזירה אולטרסוניים גבוהים לפיזור דבקים בעלי ביצועים גבוהים

דבקים בעלי ביצועים גבוהים מציעים חוזק הדבקה יוצא דופן, עמידות ומשקל נמוך. בהתאם ליישום הסופי, משלבים פולימרים, קופולימרים ותוספים רבים בפורמולציות על פי מתכונים מפורטים.

מערכות אפוקסי, סיליקון, פוליאוריתן ואקריל לדבקים מיוצרות בידי מפתחי פורמולציות, המשנים את בסיס הדבק באמצעות הוספת חומרים מגבירי דביקות, חומרי מילוי מינרליים (טלק, סיליקה, אלומינה וכו'), חומרים מגבירי גמישות, מפחיתי צמיגות, חומרי צבע, מסמיכים, מאיצים, חומרים משפרי היצמדות וכו'. שינויים אלה משרתים כמה מטרות, כגון שיפור הביצועים ו/או נוחות העיבוד או הפחתת עלויות. מפזרים אולטרסוניים בעלי כוחות גזירה גבוהים אידאליים להכנת פורמולציות של מערכות אפוקסי שונות בקו הייצור, ומאפשרים ייצור גמיש של דבקים המותאמים לדרישות של יישומים מסוימים.

מערבלים אולטרסוניים בעלי כוחות גזירה גבוהים ליישומי פיזור ותחלוב תובעניים

מעבדים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים פועלים כמו מערבלים בעלי כוחות גזירה גבוהים. כוחות הגזירה הגבוהים במיוחד נוצרים באמצעות קוויטציה אולטרסונית / אקוסטית, והם אידאליים ליישומי תחלוב, פיזור, טחינה, פירוק אגלומרטים והומוגניזציה באצוות ובקו הייצור. באמצעות מפזרים אולטרסוניים בקו הייצור ניתן לעבד בקלות חומרים בריכוזי מוצקים ובצמיגויות הנעים מנמוכים ועד גבוהים.

ערבוב אולטרסוני בכוחות גזירה גבוהים של ננו-חומרים בדבקים

ננו-חומרים כגון ננו-צינוריות פחמן (CNTs), ננו-חלקיקים מתכתיים, ננו-סיליקה, ננו-חרסיות, ננו-סיבים וחלקיקים רבים אחרים בגודל ננומטרי משמשים לייצור פולימרים מחוזקים בחומרים ננומטריים (ננו-מרוכבים). ננו-חלקיקים מוכרים היטב בזכות יכולתם לשנות תכונות מכניות (למשל קשיחות ואלסטיות), תכונות חשמליות (למשל מוליכות), תכונות תפקודיות (למשל חדירות, טמפרטורת מעבר זכוכיתי ומודול) והתנהגות בשבר של דבקים פולימריים תרמוסטיים. ננו-חומרים מקנים תכונות מיוחדות של ביצועים גבוהים כגון חוזק הדבקה, עמידות, conduciveness, אלסטיות או עמידות בחום; נוסף על כך, הוספת חלקיקים בעלי מבנה ננומטרי יכולה לשפר גם את תכונות החסימה של פולימרים.
כוחות הגזירה הגבוהים של קוויטציה אקוסטית הנוצרת באמצעות אולטרסאונד מוכרים היטב בזכות יכולתם לפרק אגלומרטים ולפזר ננו-חלקיקים, ואף לשבור חלקיקים ראשוניים (כלומר, טחינה אולטרסונית). כאשר מפעילים כוחות אולטרסוניים אלה על מערכות פולימריות המכילות ננו-חלקיקים וחומרי מילוי אחרים, מתקבלת פורמולציה אחידה מאוד. פיזור אולטרסוני הוא שיטה חסכונית באנרגיה, שצריכת האנרגיה שלה נמוכה יותר בהשוואה לשיטות ערבוב קונבנציונליות המבוססות על גזירה, כגון מערבלי להבים בעלי כוחות גזירה גבוהים, מערבלי אימפלר או מטחנות.

הסרטון מציג ערבול ופיזור אולטרסוניים של גרפיט ב־250mL של שרף אפוקסי (Toolcraft L), באמצעות הומוגנייזר אולטרסוני (UP400St, Hielscher Ultrasonics). חברת Hielscher Ultrasonics מייצרת ציוד לפיזור גרפיט, גרפן, ננו־צינוריות פחמן, ננו־חוטים או חומרי מילוי במעבדה או בתהליכי ייצור בהיקף גדול. יישומים אופייניים כוללים פיזור ננו־חומרים ומיקרו־חומרים במהלך תהליך הפונקציונליזציה או פיזורם בשרפים או בפולימרים.

Kaboori ועמיתיו (2013) הראו שסוניקציה היא שיטה יעילה לפיזור מבנים שכבתיים של מונטמורילוניט (MMT) ולפיתוח דבקי PVA מחוזקים ב-MMT. סוניקציה נמצאה אמינה ויעילה בפיזור ננו־חרסית ב-PVA בתכולות נמוכות (1% ו-2%) וגבוהות (4%).
צוות המחקר מצא כי ״הטכניקה האולטרסונית יעילה מאוד בפיזור ננו־חרסית, במיוחד בתכולות גבוהות, בניגוד למערבל המהיר בעל כוחות הגזירה הגבוהים. ערבול במהירות גבוהה הצליח לפזר ננו־חרסית ב-PVA רק בתכולות נמוכות והגדיל את חוזק ההדבקה של PVA בתנאים שונים. לערבול במהירות גבוהה יש כמה חסרונות: נזק אפשרי לאמולסיית PVA (בשל כוח הגזירה החזק המופעל במהלך הערבול), עלות גבוהה וצריכת אנרגיה גבוהה. לעומת זאת, לטכניקת הסוניקציה יש השפעה שלילית מזערית על אמולסיית PVA. נוסף על כך, טכניקת הסוניקציה חסכונית, מכיוון שערבול אולטרסוני יכול להתבצע לפני ייצור ה-PVA, וניתן להוסיף ל-PVA את התמיסה המכילה ננו־חרסית במהלך תהליך הייצור. בהתחשב בתוצאות שהתקבלו במאמר זה ובעבודתנו הקודמת, ובהתחשב ביתרונות של טכניקת הסוניקציה לעומת ערבול במהירות גבוהה, נראה שהוספת ננו־חרסית ל-PVA בקנה מידה תעשייתי היא ישימה, וניתן להמליץ עליה ליצרני דבקים לעץ.״ (Kaboori et al., 2013)

השפעות של סילוק גזים באולטרסאונד בייצור דבקים

יתרון נוסף של סוניקציה, המשפר באופן משמעותי את תוצאות הכנת הפורמולציה, הוא השפעת סילוק הגזים של הטיפול האולטרסוני. ערבול מכני במהירות גבוהה (למשל באמצעות מערבלי להבים בעלי כוחות גזירה גבוהים) יוצר בתערובת מספר רב של בועות גז, שבמקרים מסוימים ניתן אף להבחין בהן עקב התבהרות צבע התערובת. לערבול אולטרסוני בכוחות גזירה גבוהים יש יתרון עצום: טכניקת הסוניקציה אינה מחדירה גזים לפורמולציית הדבק, אלא גלי האולטרסאונד מאלצים את בועות הגז שכבר קיימות להתלכד ולצוף אל פני הנוזל, ומשם ניתן לסלק את הגז בקלות. כך הסוניקציה מקדמת את סילוק הגזים והאוויר מנוזלים ומפורמולציות דבק. (ראו להשוואה Shadlou et al., 2014)

מכשירי פיזור אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לפורמולציות דבק תעשייתיות

Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומפיצה מכשירי פיזור אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומים תובעניים, כגון ייצור דבקים בעלי ביצועים גבוהים, שרפים בעלי תכולת חומרי מילוי גבוהה וחומרים מרוכבים ננומטריים. מכשירי האולטרסאונד של Hielscher משמשים ברחבי העולם לפיזור ננו־חומרים בפולימרים, בשרפים, בציפויים ובחומרים אחרים בעלי ביצועים גבוהים.
ניתן להזין למפזרים האולטרסוניים של Hielscher חומרים שונים באמצעות כמה זרמי הזנה, בתנאי זרימה מבוקרים, אל אזור הערבוב שבו מתרחשת קוויטציה. מפזרים אולטרסוניים אמינים ויעילים בעיבוד חומרים בעלי צמיגות נמוכה עד גבוהה. ניתן לכוונן במדויק את העוצמה האולטרסונית בהתאם לחומרי הגלם וליעד הקטנת הגודל.
כדי לעבד משחות פולימריות צמיגות, ננו-חומרים וריכוזים גבוהים של מוצקים, המפזר האולטרסוני חייב להיות מסוגל להפיק משרעות גבוהות ברציפות. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד בפעולה רציפה בעומס מלא. ניתן להפעיל בקלות משרעות של עד 200µm בפעולה 24/7. האפשרות להפעיל מפזר אולטרסוני במשרעות גבוהות ולכוונן את המשרעת במדויק נחוצה להתאמת תנאי התהליך האולטרסוני להכנת פורמולציות של דבקים בעלי ביצועים גבוהים, תערובות פולימריות מחוזקות בננו-חומרים וחומרים ננו-מרוכבים.
מלבד המשרעת האולטרסונית, לחץ הוא פרמטר תהליך נוסף בעל חשיבות רבה. בלחצים מוגברים מתחזקות עוצמת הקוויטציה האולטרסונית ועוצמת כוחות הגזירה שלה. ניתן להפעיל את הכורים האולטרסוניים של Hielscher תחת לחץ ובכך להשיג תוצאות סוניקציה מוגברות.
ניטור התהליך ורישום נתונים חשובים לסטנדרטיזציה רציפה של התהליך ולאיכות המוצר. חיישני לחץ וטמפרטורה נשלפים מתחברים בחיבור קווי למחולל האולטרסוני לצורך ניטור ובקרה של תהליך הפיזור האולטרסוני. כל פרמטרי העיבוד החשובים, כגון אנרגיה אולטרסונית (נטו + כוללת), טמפרטורה, לחץ וזמן, נרשמים אוטומטית ונשמרים בכרטיס SD מובנה. גישה לנתוני התהליך שנרשמו אוטומטית מאפשרת לכם לבחון מחזורי סוניקציה קודמים ולהעריך את תוצאות התהליך.
תכונה נוספת וידידותית למשתמש היא השליטה מרחוק במערכות האולטרסוניות הדיגיטליות שלנו באמצעות דפדפן. באמצעות שליטה מרחוק דרך דפדפן, תוכלו להפעיל, לעצור, לכוונן ולנטר את המעבד האולטרסוני שלכם מרחוק, מכל מקום.
צרו איתנו קשר עכשיו כדי ללמוד עוד על המפזרים האולטרסוניים שלנו בעלי הביצועים הגבוהים ועל יישומיהם בייצור דבקים וציפויים בעלי ביצועים גבוהים!
הטבלה שלהלן נותנת לכם מושג על כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

---

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.