Ultrazvuk u formulaciji premaza
Različite komponente, kao što su pigmenti, punila, kemijski dodaci, sredstva za umrežavanje i modifikatori reologije ulaze u formulacije premaza i boja. Ultrazvuk je učinkovito sredstvo za disperziju i emulgiranje, deaglomeraciju i mljevenje takvih komponenti u premazima.
Ultrazvuk se koristi u formuliranju premaza za:
- emulgiranje polimera u vodenim sustavima
- dispergiranje i fino mljevenje pigmenata
- smanjenje veličine nanomaterijala u visokoučinkovitim premazima
Premazi spadaju u dvije široke kategorije: smole i premazi na bazi vode i otapala. Svaka vrsta ima svoje izazove. Upute koje pozivaju na smanjenje HOS-a i visoke cijene otapala potiču rast tehnologija premaza smolama na bazi vode. Korištenje ultrazvučne obrade može poboljšati performanse takvih ekološki prihvatljivih sustava.
Poboljšana formulacija premaza zahvaljujući ultrazvučnoj obradi
Ultrazvuk može pomoći formulatorima arhitektonskih, industrijskih, automobilskih i drvenih premaza da poboljšaju karakteristike premaza, kao što su jačina boje, otpornost na ogrebotine, pukotine i UV zračenje ili električna vodljivost. Neke od ovih karakteristika premaza postižu se uključivanjem materijala nano veličine, npr. metalnih oksida (TiO2, silicij, cerij, ZnO, …).
Ultrazvučni sustav od 2x 1000 W ultrazvučnih raspršivača u ormaru koji se može čistiti.
Budući da se ultrazvučna tehnologija raspršivanja može koristiti u laboratoriju, stolnoj i industrijskoj proizvodnji, dopuštajući stope protoka preko 10 tona/sat, primjenjuje se u R&D fazi iu komercijalnoj proizvodnji. Rezultati procesa mogu se jednostavno i linearno povećati.
Hielscher ultrazvučni uređaji su vrlo energetski učinkoviti. Uređaji pretvaraju cca. 80 do 90% električne ulazne snage u mehaničku aktivnost u tekućini. To dovodi do znatno nižih troškova obrade.
Slijedeći poveznice ispod, možete pročitati više o upotrebi ultrazvuka visokih performansi za
- emulgiranje polimera u vodenim sustavima,
- dispergiranje i fino mljevenje pigmenata,
- i smanjenje veličine nanomaterijala.
Polimerizacija emulzije korištenjem sonikacije
Tradicionalne formulacije premaza koriste osnovnu kemiju polimera. Promjena tehnologije premaza na bazi vode ima utjecaj na odabir sirovina, svojstva i metodologije formulacije.
Kod konvencionalne emulzijske polimerizacije, npr. za premaze na bazi vode, čestice su izgrađene od središta prema površini. Kinetički čimbenici utječu na homogenost i morfologiju čestica.
Ultrazvučna obrada može se koristiti na dva načina za stvaranje polimernih emulzija.
- odozgo prema dolje: Emulgiranje/Raspršivanje većih polimernih čestica za stvaranje manjih čestica smanjenjem veličine
- odozdo prema gore: Upotreba ultrazvuka prije ili tijekom polimerizacije čestica
Nanočestični polimeri u miniemulzijama
Polimerizacija čestica u miniemulzijama omogućuje proizvodnju dispergiranih polimernih čestica uz dobru kontrolu veličine čestica. Sinteza nanočestičnih polimernih čestica u miniemulzijama (također poznatim kao nanoreaktori), kako je predstavio K. Landfester (2001.), izvrsna je metoda za stvaranje polimernih nanočestica. Ovaj pristup koristi velik broj malih nanokompartmenata (disperzne faze) u emulziji kao nanoreaktore. U njima se čestice sintetiziraju na vrlo paralelan način u pojedinačnim, ograničenim kapljicama. U svom radu, Landfester (2001) predstavlja polimerizaciju u nanoreaktorima u visokom savršenstvu za stvaranje vrlo identičnih čestica gotovo jednake veličine. Gornja slika prikazuje čestice dobivene ultrazvučno potpomognutom poliadicijom u miniemulzijama.
Male kapljice generirane primjenom visokog smicanja (ultrazvučna obrada) i stabilizirane stabilizirajućim agensima (emulgatorima), mogu se očvrsnuti naknadnom polimerizacijom ili snižavanjem temperature u slučaju materijala koji se tale na niskoj temperaturi. Budući da ultrazvučna obrada može proizvesti vrlo male kapljice gotovo jednake veličine u šaržnom i proizvodnom procesu, omogućuje dobru kontrolu nad konačnom veličinom čestica. Za polimerizaciju nanočestica, hidrofilni monomeri mogu se emulgirati u organsku fazu, a hidrofobni monomeri u vodu.
Kada se smanjuje veličina čestica, ukupna površina čestica se istovremeno povećava. Slika lijevo prikazuje korelaciju između veličine čestica i površine u slučaju kuglastih čestica. Stoga se količina surfaktanta potrebna za stabilizaciju emulzije povećava gotovo linearno s ukupnom površinom čestica. Vrsta i količina surfaktanta utječe na veličinu kapljice. Kapljice od 30 do 200 nm mogu se dobiti korištenjem anionskih ili kationskih tenzida.
Pigmenti u premazima
Organski i anorganski pigmenti važna su komponenta formulacija premaza. Kako bi se maksimizirala učinkovitost pigmenta potrebna je dobra kontrola veličine čestica. Prilikom dodavanja pigmentnog praha u sustave na bazi vode, otapala ili epoksidne smole, pojedinačne čestice pigmenta imaju tendenciju stvaranja velikih aglomerata. Mehanizmi visokog smicanja, kao što su rotor-stator miješalice ili mlinovi s kuglicama miješalice, konvencionalno se koriste za razbijanje takvih aglomerata i usitnjavanje pojedinačnih čestica pigmenta. Ultrasonication je izuzetno učinkovita alternativa za ovaj korak u proizvodnji premaza.
Grafikoni u nastavku prikazuju utjecaj sonikacije na veličinu pigmenta bisernog sjaja. Ultrazvuk melje pojedinačne čestice pigmenta brzim međučestičnim sudarom. Istaknuta prednost ultrazvučne obrade je veliki utjecaj kavitacijskih sila smicanja, što čini korištenje medija za mljevenje (npr. perle, biseri) nepotrebnim. Dok se čestice ubrzavaju ekstremno brzim mlazovima tekućine do 1000 km/h, one se snažno sudaraju i razbijaju u male komadiće. Abrazija čestica daje ultrazvučno mljevenim česticama glatku površinu. Sve u svemu, ultrazvučno mljevenje i disperzija rezultiraju finom i ravnomjernom distribucijom čestica.
Ultrazvučno mljevenje i disperzija pigmenata bisernog sjaja. Crveni grafikon prikazuje distribuciju veličine čestica prije sonikacije, zelena krivulja je tijekom sonikacije, plava krivulja prikazuje konačne pigmente nakon ultrazvučne disperzije.
Ultrazvučno mljevenje i raspršivanje često nadmašuje miksere velike brzine i mlinove za medije jer ultrazvučna obrada omogućuje dosljedniju obradu svih čestica. Općenito, ultrazvučna obrada proizvodi manje veličine čestica i usku distribuciju veličine čestica (krivulje mljevenja pigmenta). Ovo poboljšava ukupnu kvalitetu pigmentnih disperzija, budući da veće čestice obično ometaju sposobnost obrade, sjaj, otpornost i optički izgled.
Budući da se mljevenje i mljevenje čestica temelji na međusobnom sudaru čestica kao rezultat ultrazvučne kavitacije, ultrazvučni reaktori mogu podnijeti prilično visoke krute koncentracije (npr. glavne šarže) i još uvijek proizvesti dobre učinke smanjenja veličine. Donja tablica prikazuje slike mokrog mljevenja TiO2.
Kuglično mljeveni TiO2 prije i poslije ultrazvučnog mljevenja
TiO2 osušen raspršivanjem prije i poslije ultrazvučnog mljevenja
Grafikon u nastavku prikazuje krivulje distribucije veličine čestica za deaglomeraciju Degussa anatase titan dioksida ultrazvučnom obradom. Uzak oblik krivulje nakon sonikacije tipična je značajka ultrazvučne obrade.
Ultrazvučno raspršeni TiO2 (Degussa anatase) pokazuje usku distribuciju veličine čestica.
Materijali nano veličine u premazima visoke učinkovitosti
Nanotehnologija je tehnologija u nastajanju koja se probija u mnoge industrije. Nanomaterijali i nanokompoziti koriste se u formulacijama premaza, npr. za povećanje otpornosti na habanje i ogrebotine ili UV stabilnost. Najveći izazov za primjenu u premazima je zadržavanje prozirnosti, čistoće i sjaja. Stoga nanočestice moraju biti vrlo male kako bi se izbjegle interferencije s vidljivim spektrom svjetlosti. Za mnoge primjene, to je znatno niže od 100 nm.
Mokro mljevenje visokoučinkovitih komponenti do nanometarskog raspona postaje ključni korak u formuliranju nanoinženjerskih premaza. Sve čestice koje ometaju vidljivo svjetlo uzrokuju zamagljivanje i gubitak prozirnosti. Stoga su potrebne vrlo uske raspodjele veličina. Ultrasonication je vrlo učinkovito sredstvo za fino mljevenje krutih tvari. Ultrazvučna/akustična kavitacija u tekućinama uzrokuje sudare među česticama velike brzine. Za razliku od konvencionalnih mlinova s kuglicama i mlinova sa šljunkom, same čestice se međusobno usitnjavaju, čineći medij za mljevenje nepotrebnim.
Tvrtke, poput Panadur (Njemačka) koristiti Hielscher ultrasonicators za raspršivanje i deaglomeraciju nanomaterijala u prevlakama u kalupu. Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučnoj disperziji premaza u kalupu!
Za sonikaciju zapaljivih tekućina ili otapala u opasnim okruženjima dostupni su procesori s ATEX certifikatom. Saznajte više o Atex-certificiranom ultrazvučnom uređaju UIP1000-Exd!
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski inline homogenizator prikladan za industrijsku proizvodnju pigmentnih i polimernih disperzija.
Književnost
- Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, in: Ultrasonics Sonochemistry 7, 2000. 77-85.
- Behrend, O., Schubert, H. (2001): Influence of hydrostatic pressure and gas content on continuous ultrasound emulsification, in: Ultrasonics Sonochemistry 8, 2001. 271-276.
- Landfester, K. (2001): The Generation of Nanoparticles in Miniemulsions; in: Advanced Materials 2001, 13, No 10, May17th. Wiley-VCH.
- Hielscher, T. (2005): Ultrasonic Production of Nano-Size Dispersions and Emulsions, in: Proceedings of European Nanosystems Conference ENS’05.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.