Formulacije ljepila visokih performansi – poboljšane ultrazvučnim dispergiranjem

Ljepila visokih performansi sastoje se od epoksidnih, silikonskih, poliuretanskih, polisulfidnih ili akrilnih sustava koji sadržavaju različita (nano)punila i aditive koji ljepilu daju posebna svojstva poput čvrstoće spoja, male mase, trajnosti, otpornosti na toplinu i održivosti. Za formuliranje ljepila visokih performansi potrebno je učinkovito i pouzdano miješanje. Ultrazvučno dispergiranje i emulgiranje primjenjuju se za ravnomjerno sjedinjavanje različitih sastojaka u homogene smjese ljepila. Sonikacija u liniji pouzdano i učinkovito miješa čak i vrlo viskozne materijale te smjese s visokim udjelima nanopunila, proizvodeći vrhunska ljepila.

Visoke ultrazvučne smične sile za dispergiranje ljepila visokih performansi

Ljepila visokih performansi pružaju izvanrednu čvrstoću spoja, trajnost i malu masu. Ovisno o konačnoj primjeni, polimeri, kopolimeri i brojni aditivi kombiniraju se u formulacije prema razrađenim recepturama.

Epoksidne, silikonske, poliuretanske i akrilne sustave za ljepila pripremaju stručnjaci za formulacije koji mijenjaju osnovu ljepila dodavanjem sredstava za povećanje ljepljivosti, mineralnih punila (talka, silicijeva dioksida, aluminijeva oksida itd.), sredstava za povećanje fleksibilnosti, sredstava za smanjenje viskoznosti, bojila, zgušnjivača, ubrzivača, sredstava za poboljšanje prianjanja itd. Te izmjene služe različitim svrhama, poput poboljšanja svojstava i/ili olakšavanja obrade ili smanjenja troškova. Ultrazvučni dispergatori s visokim smicanjem idealni su za formuliranje različitih epoksidnih sustava u liniji i omogućuju fleksibilnu proizvodnju ljepila prilagođenih zahtjevima pojedinih primjena.

Ultrazvučne miješalice s visokim smicanjem za zahtjevne primjene dispergiranja i emulgiranja

Ultrazvučni procesori visokih performansi djeluju poput miješalica s visokim smicanjem. Iznimno visoke smične sile nastaju ultrazvučnom / akustičnom kavitacijom i idealne su za šaržno emulgiranje, dispergiranje, mljevenje, deaglomeraciju i homogenizaciju te za te postupke u liniji. Ultrazvučnim dispergatorima za rad u liniji lako se mogu obrađivati materijali s niskim do visokim koncentracijama krutih tvari i viskoznostima.

Ultrazvučno miješanje nanomaterijala u ljepilima uz visoko smicanje

Nanomaterijali poput ugljikovih nanocijevi (CNTs), metalnih nanočestica, nanosilicijeva dioksida, nanoglina, nanovlakana i mnogih drugih čestica nanometarske veličine upotrebljavaju se za proizvodnju polimera ojačanih nanomaterijalima (nanokompozita). Nanočestice su dobro poznate po svojoj sposobnosti mijenjanja mehaničkih svojstava (npr. krutosti, elastičnosti), električnih svojstava (npr. vodljivosti), funkcionalnih svojstava (npr. propusnosti, temperature staklastog prijelaza, modula) i ponašanja pri lomu duromernih polimernih ljepila. Nanomaterijali ne daju samo posebna svojstva visokih performansi poput čvrstoće spoja, trajnosti, svojstva conduciveness, elastičnosti ili otpornosti na toplinu; dodavanje nanostrukturiranih čestica može poboljšati i barijerna svojstva polimera.
Visoke smične sile ultrazvučno generirane akustične kavitacije dobro su poznate po svojoj sposobnosti deaglomeracije i dispergiranja nanočestica, pa čak i razbijanja primarnih čestica (tj. ultrazvučnog mljevenja). Kada se te ultrazvučne sile primijene na polimerne sustave koji sadržavaju nanočestice i druga punila, dobiva se vrlo ujednačena formulacija. Ultrazvučno dispergiranje energetski je učinkovita metoda koja troši manje energije u usporedbi s konvencionalnim metodama miješanja smicanjem, poput miješalica s lopaticama s visokim smicanjem, miješalica s impelerom ili mlinova.

Videozapis prikazuje ultrazvučno miješanje i dispergiranje grafita u 250mL epoksidne smole (Toolcraft L) s pomoću ultrazvučnog homogenizatora (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics proizvodi opremu za dispergiranje grafita, grafena, ugljikovih nanocijevi, nanožica ili punila u laboratoriju ili u proizvodnim procesima velikog obujma. Tipične primjene uključuju dispergiranje nanomaterijala i mikromaterijala tijekom funkcionalizacije ili njihovo dispergiranje u smolama ili polimerima.

Kaboori i sur. (2013) pokazali su da je sonikacija učinkovita metoda za dispergiranje slojevitih struktura montmorilonita (MMT) i razvoj PVA ljepila ojačanih MMT-om. Sonikacija se pokazala pouzdanom i učinkovitom za dispergiranje nanogline u PVA pri niskim (1% i 2%) i visokim (4%) udjelima.
Istraživački tim utvrdio je da je „ultrazvučna tehnika vrlo učinkovita u dispergiranju nanogline, osobito pri visokim udjelima, za razliku od brzohodne miješalice s velikim smičnim silama. Miješanje pri velikoj brzini moglo je dispergirati nanoglinu u PVA samo pri niskim udjelima te je povećalo čvrstoću lijepljenja PVA u različitim uvjetima. Miješanje pri velikoj brzini ima neke nedostatke: moguće oštećenje PVA emulzije (zbog velike smične sile primijenjene tijekom miješanja), visoke troškove i veliku potrošnju energije. Nasuprot tome, tehnika sonikacije ima minimalan negativan utjecaj na PVA emulziju. Osim toga, tehnika sonikacije ekonomična je jer bi se ultrazvučno miješanje moglo provoditi prije proizvodnje PVA, a otopina koja sadrži nanoglinu može se dodavati u PVA tijekom proizvodnog procesa. Uzimajući u obzir rezultate dobivene u ovom radu i našem prethodnom radu te prednosti tehnike sonikacije u odnosu na miješanje pri velikoj brzini, dodavanje nanogline u PVA u industrijskom mjerilu čini se izvedivim i može se preporučiti proizvođačima ljepila za drvo.” (Kaboori i sur., 2013)

Učinci ultrazvučnog otplinjavanja u proizvodnji ljepila

Dodatna prednost sonikacije, koja znatno poboljšava rezultate formuliranja, jest učinak otplinjavanja ultrazvučnom obradom. Mehaničko miješanje pri velikoj brzini (npr. lopatičnim miješalicama s velikim smičnim silama) stvara velik broj mjehurića plina u smjesi, što se u nekim slučajevima može uočiti čak i po svjetlijoj boji smjese. Ultrazvučno miješanje s velikim smičnim silama ima veliku prednost jer tehnika sonikacije ne unosi plinove u formulaciju ljepila, već ultrazvučni valovi prisiljavaju već prisutne mjehuriće plina da se spoje i isplivaju na površinu tekućine, odakle se plin može lako ukloniti. Time sonikacija potiče otplinjavanje i odzračivanje tekućina i formulacija ljepila. (usp. Shadlou i sur., 2014)

Ultrazvučni dispergatori visokih performansi za industrijske formulacije ljepila

Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira ultrazvučne dispergatore visokih performansi za zahtjevne primjene poput proizvodnje ljepila visokih performansi, smola s visokim udjelom punila i nanokompozita. Ultrazvučni uređaji Hielscher upotrebljavaju se diljem svijeta za dispergiranje nanomaterijala u polimere, smole, premaze i druge materijale visokih performansi.
Ultrazvučni dispergatori Hielscher mogu se napajati putem različitih dovodnih tokova kojima se različiti materijali pri kontroliranim uvjetima protoka uvode u zonu kavitacijskog miješanja. Ultrazvučni dispergatori pouzdani su i učinkoviti u obradi materijala niske do visoke viskoznosti. Ovisno o sirovinama i ciljanoj veličini nakon usitnjavanja, intenzitet ultrazvuka može se precizno prilagoditi.
Za obradu viskoznih polimernih pasta, nanomaterijala i visokih koncentracija krutih tvari ultrazvučni dispergator mora moći kontinuirano stvarati visoke amplitude. Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu ostvariti vrlo visoke amplitude u kontinuiranom radu pod punim opterećenjem. Amplitude do 200µm mogu se lako održavati pri radu 24/7. Mogućnost rada ultrazvučnog dispergatora pri visokim amplitudama i preciznog podešavanja amplitude nužna je za prilagodbu uvjeta ultrazvučnog procesa formuliranju ljepila visokih performansi, polimernih smjesa ojačanih nanomaterijalima i nanokompozita.
Osim amplitude ultrazvuka, tlak je još jedan vrlo važan procesni parametar. Pri povišenim tlakovima povećavaju se intenzitet ultrazvučne kavitacije i njezine smične sile. Ultrazvučni reaktori Hielscher mogu raditi pod tlakom, čime se postižu pojačani učinci sonikacije.
Praćenje procesa i bilježenje podataka važni su za kontinuiranu standardizaciju procesa i kvalitetu proizvoda. Priključivi senzori tlaka i temperature žičano se povezuju s ultrazvučnim generatorom radi praćenja i upravljanja procesom ultrazvučnog dispergiranja. Svi važni parametri obrade, kao što su ultrazvučna energija (neto + ukupna), temperatura, tlak i vrijeme, automatski se bilježe i pohranjuju na ugrađenu SD karticu. Pristupom automatski zabilježenim procesnim podacima možete pregledati prethodne postupke sonikacije i procijeniti rezultate procesa.
Još jedna značajka koja olakšava uporabu jest daljinsko upravljanje našim digitalnim ultrazvučnim sustavima putem preglednika. Putem daljinskog upravljanja u pregledniku možete s bilo kojeg mjesta pokrenuti, zaustaviti, podesiti i nadzirati svoj ultrazvučni procesor.
Kontaktirajte nas sada kako biste saznali više o našim ultrazvučnim dispergatorima visokih performansi i njihovoj primjeni u proizvodnji ljepila i premaza visokih performansi!
Tablica u nastavku daje pregled približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

---

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.