Ultrazvuk u formuliranju premaza

Različite komponente, poput pigmenata, punila, kemijskih aditiva, umreživača i reoloških modifikatora, ulaze u formulacije premaza i boja. Ultrazvuk je učinkovito sredstvo za dispergiranje i emulgiranje, deaglomeraciju i mljevenje takvih komponenata u premazima.

Ultrazvuk se pri formuliranju premaza upotrebljava za:

• emulgiranje polimera u vodenim sustavima
• dispergiranje i fino mljevenje pigmenata
• smanjenje veličine nanomaterijala u premazima visokih performansi

Premazi se dijele u dvije široke kategorije: smole i premazi na bazi vode te smole i premazi na bazi otapala. Svaka vrsta ima svoje izazove. Smjernice koje zahtijevaju smanjenje hlapljivih organskih spojeva (VOC) i visoke cijene otapala potiču razvoj tehnologija premaza na bazi vodenih smola. Primjena ultrazvučne obrade može poboljšati svojstva takvih ekološki prihvatljivih sustava.

Poboljšano formuliranje premaza zahvaljujući ultrazvučnoj obradi

Ultrazvuk može pomoći stručnjacima koji formuliraju arhitektonske, industrijske i automobilske premaze te premaze za drvo da poboljšaju svojstva premaza, kao što su jakost boje, otpornost na ogrebotine, pucanje i UV zračenje ili električna vodljivost. Neka od tih svojstava premaza postižu se uključivanjem materijala nanometarske veličine, npr. metalnih oksida (TiO₂, silicijev dioksid, cerijev dioksid, ZnO, …).

Ultrazvuk dodatno pomaže pri uklanjanju pjene (zarobljenih mjehurića) i otplinjavanju (otopljenog plina) visokoviskoznih proizvoda. Pročitajte više o ultrazvučnom uklanjanju zraka i otplinjavanju tekućina!

Budući da se tehnologija ultrazvučnog dispergiranja može primjenjivati u laboratoriju, na stolnim sustavima i u industrijskoj proizvodnji, uz kapacitet obrade veći od 10 tona/sat, upotrebljava se u fazi istraživanja i razvoja te u komercijalnoj proizvodnji. Rezultati procesa mogu se lako i linearno prenijeti na veće mjerilo.

Hielscher ultrazvučni uređaji vrlo su energetski učinkoviti. Uređaji pretvaraju približno 80 do 90% ulazne električne snage u mehaničko djelovanje u tekućini. To dovodi do znatno nižih troškova obrade.

Na poveznicama u nastavku možete pročitati više o primjeni ultrazvuka visokih performansi za

• emulgiranje polimera u vodenim sustavima,
• dispergiranje i fino mljevenje pigmenata,
• i smanjenje veličine nanomaterijala.

Emulzijska polimerizacija primjenom sonikacije

Tradicionalne formulacije premaza temelje se na osnovnoj kemiji polimera. Prelazak na tehnologiju premaza na bazi vode utječe na odabir sirovina, svojstva i metodologije formuliranja.

Pri konvencionalnoj emulzijskoj polimerizaciji, npr. za premaze na bazi vode, čestice se izgrađuju od središta prema površini. Kinetički čimbenici utječu na homogenost i morfologiju čestica.

Ultrazvučna obrada može se upotrijebiti na dva načina za stvaranje polimernih emulzija.

• Odozgo prema dolje: Emulgiranje/dispergiranje većih polimernih čestica radi stvaranja manjih čestica smanjenjem veličine
• Odozdo prema gore: Primjena ultrazvuka prije ili tijekom polimerizacije čestica

 

U ovom videozapisu prikazujemo ultrazvučni sustav od 2 kilovata za protočni rad u ormaru s ispiranjem plinom. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu za gotovo sve industrijske grane, poput kemijske, farmaceutske i kozmetičke industrije, petrokemijskih procesa te procesa ekstrakcije otapalima. Ovaj ormar od nehrđajućeg čelika s ispiranjem plinom namijenjen je radu u eksplozivno ugroženim prostorima. U tu svrhu korisnik može ispirati zabrtvljeni ormar dušikom ili svježim zrakom kako bi spriječio ulazak zapaljivih plinova ili para u ormar.

 

Polimeri u obliku nanočestica u miniemulzijama

Polimerizacija čestica u miniemulzijama omogućuje proizvodnju dispergiranih polimernih čestica uz dobru kontrolu veličine čestica. Sinteza polimernih čestica nanometarskih dimenzija u miniemulzijama (poznatima i kao nanoreaktori), koju je predstavila K. Landfester (2001), izvrsna je metoda za stvaranje polimernih nanočestica. Ovaj pristup koristi velik broj malih nanoodjeljaka (disperzna faza) u emulziji kao nanoreaktore. U njima se čestice sintetiziraju u velikom broju paralelnih procesa u pojedinačnim, prostorno ograničenim kapljicama. U svojem radu Landfester (2001) predstavlja polimerizaciju u nanoreaktorima s visokim stupnjem savršenstva radi dobivanja izrazito jednakih čestica gotovo ujednačene veličine. Gornja slika prikazuje čestice dobivene ultrazvučno potpomognutom poliadicijom u miniemulzijama.

Male kapljice nastale primjenom snažnog smicanja (sonikacijom) i stabilizirane stabilizacijskim sredstvima (emulgatorima) mogu se očvrsnuti naknadnom polimerizacijom ili snižavanjem temperature u slučaju materijala koji se tale pri niskim temperaturama. Budući da sonikacija može proizvesti vrlo male kapljice gotovo ujednačene veličine u šaržnom i proizvodnom procesu, omogućuje dobru kontrolu konačne veličine čestica. Za polimerizaciju nanočestica hidrofilni monomeri mogu se emulgirati u organskoj fazi, a hidrofobni monomeri u vodi.

Smanjenjem veličine čestica istodobno se povećava njihova ukupna površina. Slika lijevo prikazuje povezanost veličine čestica i površine u slučaju sfernih čestica. Stoga se količina površinski aktivne tvari potrebne za stabilizaciju emulzije povećava gotovo linearno s ukupnom površinom čestica. Vrsta i količina površinski aktivne tvari utječu na veličinu kapljica. Primjenom anionskih ili kationskih površinski aktivnih tvari mogu se dobiti kapljice veličine od 30 do 200nm.

Pigmenti u premazima

Organski i anorganski pigmenti važna su komponenta formulacija premaza. Kako bi se postigla maksimalna učinkovitost pigmenata, potrebna je dobra kontrola veličine čestica. Pri dodavanju pigmentnog praha u sustave na bazi vode, otapala ili epoksidnih smola, pojedinačne čestice pigmenta sklone su stvaranju velikih aglomerata. Za razbijanje takvih aglomerata i usitnjavanje pojedinačnih čestica pigmenta uobičajeno se primjenjuju mehanizmi s visokim smicanjem, poput miješalica rotor–stator ili mlinova s kuglicama i miješalom. Sonikacija je iznimno učinkovita alternativa za ovaj korak u proizvodnji premaza.

Grafovi u nastavku prikazuju utjecaj sonikacije na veličinu čestica pigmenta bisernog sjaja. Ultrazvuk usitnjava pojedinačne čestice pigmenta njihovim međusobnim sudarima pri velikim brzinama. Istaknuta prednost sonikacije snažan je učinak kavitacijskih smičnih sila, zbog čega uporaba sredstava za mljevenje (npr. kuglica, perli) postaje nepotrebna. Budući da čestice ubrzavaju iznimno brzi mlazovi tekućine brzina do 1000km/hr, one se snažno sudaraju i razbijaju u male komadiće. Abrazija čestica daje ultrazvučno mljevenim česticama glatku površinu. Sveukupno, ultrazvučno mljevenje i dispergiranje rezultiraju sitnim česticama s ujednačenom raspodjelom veličine.

 

Ultrazvučno mljevenje i dispergiranje često nadmašuju miješalice velike brzine i mlinove s medijima za mljevenje jer sonikacija omogućuje ujednačeniju obradu svih čestica. Općenito, ultrazvučna obrada daje manje čestice i usku raspodjelu veličine čestica (krivulje mljevenja pigmenata). Time se poboljšava ukupna kvaliteta disperzija pigmenata jer veće čestice obično negativno utječu na mogućnost obrade, sjaj, otpornost i optički izgled.

Budući da se mljevenje i usitnjavanje čestica temelje na međusobnim sudarima čestica uslijed ultrazvučne kavitacije, ultrazvučni reaktori mogu obrađivati prilično visoke koncentracije krutih tvari (npr. koncentrirane predsmjese) i pritom i dalje učinkovito smanjivati veličinu čestica. Tablica u nastavku prikazuje slike mokrog mljevenja TiO2.

Grafikon u nastavku prikazuje krivulje raspodjele veličine čestica pri deaglomeraciji titanijeva dioksida Degussa u anatasnom obliku ultrazvučnom obradom. Uzak oblik krivulje nakon sonikacije tipično je obilježje ultrazvučne obrade.

Materijali nanometarske veličine u premazima visokih performansi

Nanotehnologija je tehnologija u razvoju koja se uvodi u mnoge industrije. Nanomaterijali i nanokompoziti upotrebljavaju se u formulacijama premaza, npr. za poboljšanje otpornosti na abraziju i ogrebotine ili stabilnosti na UV zračenje. Najveći izazov pri primjeni u premazima jest očuvanje prozirnosti, bistrine i sjaja. Stoga nanočestice moraju biti vrlo male kako ne bi ometale vidljivi spektar svjetlosti. Za mnoge primjene ta je veličina znatno manja od 100nm.

Mokro mljevenje komponenti visokih performansi do nanometarskog raspona postaje ključan korak u formuliranju premaza razvijenih primjenom nanotehnologije. Sve čestice koje ometaju vidljivu svjetlost uzrokuju zamućenje i gubitak prozirnosti. Stoga su potrebne vrlo uske raspodjele veličine čestica. Ultrazvučna obrada vrlo je učinkovito sredstvo za fino mljevenje krutih tvari. Ultrazvučna / akustična kavitacija u tekućinama uzrokuje međusobne sudare čestica pri velikim brzinama. Za razliku od konvencionalnih mlinova s kuglicama i mlinova s oblucima, same se čestice međusobno usitnjavaju, zbog čega mediji za mljevenje nisu potrebni.

Tvrtke poput Panadura (Njemačka) upotrebljavaju ultrazvučne uređaje Hielscher za dispergiranje i deaglomeraciju nanomaterijala u premazima koji se nanose u kalupu. Kliknite ovdje i pročitajte više o ultrazvučnom dispergiranju premaza koji se nanose u kalupu!

Za sonikaciju zapaljivih tekućina ili otapala u opasnim okruženjima dostupni su procesori s certifikatom ATEX. Saznajte više o ultrazvučnom uređaju UIP1000-Exd s certifikatom Atex!