Ultrahang a bevonatok formulálásában

A bevonat- és festékformulációk különféle összetevőket tartalmaznak, például pigmenteket, töltőanyagokat, kémiai adalékanyagokat, térhálósítókat és reológiai módosítókat. Az ultrahang hatékony eszköz ezen összetevők diszpergálására, emulgeálására, deagglomerálására és őrlésére a bevonatokban.

Az ultrahangot a bevonatok formulálásakor a következőkre használják:

• polimerek emulgeálása vizes rendszerekben
• pigmentek diszpergálása és finomőrlése
• nanoanyagok méretcsökkentése nagy teljesítményű bevonatokban

A bevonatok két nagy kategóriába sorolhatók: vízbázisú és oldószerbázisú gyanták és bevonatok. Mindkét típusnak megvannak a maga kihívásai. A VOC-kibocsátás csökkentését előíró irányelvek és a magas oldószerárak ösztönzik a vízbázisú gyantabevonatok technológiáinak fejlődését. Az ultrahangos kezelés alkalmazása javíthatja az ilyen környezetbarát rendszerek teljesítményét.

Jobb bevonatformuláció ultrahangos kezeléssel

Az ultrahang segíthet az építészeti, ipari, autóipari és fabevonatok formulálását végző szakembereknek a bevonatok olyan tulajdonságainak javításában, mint a színezőerő, a karcolással, repedéssel és UV-sugárzással szembeni ellenállás vagy az elektromos vezetőképesség. E bevonattulajdonságok némelyikét nanoméretű anyagok, például fém-oxidok (TiO₂, szilícium-dioxid, cérium-dioxid, ZnO, …) hozzáadásával érik el.

Az ultrahang emellett segít a nagy viszkozitású termékek habmentesítésében (bezárt buborékok eltávolítása) és gáztalanításában (oldott gáz eltávolítása). Olvasson többet a folyadékok ultrahangos levegőmentesítéséről és gáztalanításáról!

Mivel az ultrahangos diszpergálási technológia laboratóriumi, asztali és ipari termelési léptékben egyaránt alkalmazható, és óránként több mint 10 tonna feldolgozását teszi lehetővé, a K+F szakaszban és a kereskedelmi termelésben is használják. Az eljárás eredményei könnyen és lineárisan átvihetők nagyobb léptékre.

A Hielscher ultrahangos készülékek rendkívül energiahatékonyak. A készülékek a bevitt elektromos teljesítmény kb. 80–90%-át a folyadékban végbemenő mechanikai működéssé alakítják. Ez lényegesen alacsonyabb feldolgozási költségeket eredményez.

Az alábbi hivatkozásokat követve többet olvashat a nagy teljesítményű ultrahang alkalmazásáról a következő célokra:

• polimerek emulgeálása vizes rendszerekben,
• pigmentek diszpergálása és finomőrlése,
• valamint nanoanyagok méretcsökkentése.

Emulziós polimerizáció ultrahangos kezeléssel

A hagyományos bevonatformulációk alapvető polimerkémiai eljárásokat alkalmaznak. A vízbázisú bevonattechnológiára való áttérés hatással van a nyersanyagok kiválasztására, a tulajdonságokra és a formulálási módszerekre.

A hagyományos emulziós polimerizáció során, például vízbázisú bevonatok esetében, a részecskék a középpontjuktól a felszínük felé épülnek fel. A kinetikai tényezők befolyásolják a részecskék homogenitását és morfológiáját.

Az ultrahangos feldolgozás kétféleképpen alkalmazható polimeremulziók előállítására.

• Felülről lefelé: Nagyobb polimerrészecskék emulgeálása/diszpergálása kisebb részecskék előállítására méretcsökkentéssel
• Alulról felfelé: Ultrahang alkalmazása a részecskék polimerizációja előtt vagy közben

 

Ebben a videóban egy átöblíthető szekrénybe épített, 2 kilowattos, átfolyásos üzemű ultrahangos rendszert mutatunk be. A Hielscher szinte minden iparág számára szállít ultrahangos berendezéseket, például a vegyipar, a gyógyszeripar, a kozmetikai ipar és a petrolkémiai folyamatok, valamint az oldószeres extrakciós eljárások területére. Ez az átöblíthető, rozsdamentes acél szekrény robbanásveszélyes térben történő üzemeltetésre készült. Ennek érdekében az ügyfél a tömített szekrényt nitrogénnel vagy friss levegővel öblítheti át, hogy megakadályozza az éghető gázok vagy gőzök bejutását.

 

Nanorészecskés polimerek miniemulziókban

A részecskék miniemulziókban történő polimerizációja lehetővé teszi diszpergált polimerrészecskék előállítását a részecskeméret megfelelő szabályozásával. A nanorészecskés polimerrészecskék miniemulziókban (más néven nanoreaktorokban) történő szintézise, amelyet K. Landfester (2001) ismertetett, kiváló módszer polimer nanorészecskék képzésére. Ez a megközelítés az emulzióban található nagyszámú kis nanoméretű térrészt (diszpergált fázist) használja nanoreaktorként. Ezekben a részecskék szintézise nagymértékben párhuzamosan, az egyes elkülönült cseppekben történik. Tanulmányában Landfester (2001) a nanoreaktorokban végzett polimerizáció rendkívül tökéletes megvalósítását mutatja be, amellyel egymáshoz nagymértékben hasonló, közel egyforma méretű részecskék állíthatók elő. A fenti kép miniemulziókban, ultrahanggal segített poliaddícióval előállított részecskéket mutat.

Az erős nyírás (ultrahangos kezelés) alkalmazásával létrehozott és stabilizálószerekkel (emulgeálószerekkel) stabilizált kis cseppek utólagos polimerizációval, illetve alacsony olvadáspontú anyagok esetében a hőmérséklet csökkentésével megszilárdíthatók. Mivel az ultrahangos kezelés szakaszos és termelési folyamatokban egyaránt képes nagyon kis, közel egyforma méretű cseppeket létrehozni, lehetővé teszi a végső részecskeméret megfelelő szabályozását. A nanorészecskék polimerizációjához a hidrofil monomerek szerves fázisba, a hidrofób monomerek pedig vízbe emulgeálhatók.

A részecskeméret csökkentésével egyidejűleg nő a részecskék teljes felülete. A bal oldali kép a részecskeméret és a felület közötti összefüggést mutatja gömb alakú részecskék esetében. Ezért az emulzió stabilizálásához szükséges felületaktív anyag mennyisége közel lineárisan nő a részecskék teljes felületével. A felületaktív anyag típusa és mennyisége befolyásolja a cseppméretet. Anionos vagy kationos felületaktív anyagokkal 30–200nm méretű cseppek állíthatók elő.

Pigmentek a bevonatokban

A szerves és szervetlen pigmentek a bevonatformulációk fontos összetevői. A pigmentek teljesítményének maximalizálásához a részecskeméret megfelelő szabályozása szükséges. Ha pigmentport adnak vízbázisú, oldószerbázisú vagy epoxirendszerekhez, az egyes pigmentrészecskék hajlamosak nagy agglomerátumokat képezni. Az ilyen agglomerátumok szétbontására és az egyes pigmentrészecskék finomra őrlésére hagyományosan nagy nyíróhatású berendezéseket, például rotor-sztátor keverőket vagy keverőgyöngymalmokat használnak. Az ultrahangos kezelés rendkívül hatékony alternatíva a bevonatgyártás ezen lépéséhez.

Az alábbi grafikonok az ultrahangos kezelés hatását mutatják egy gyöngyházfényű pigment méretére. Az ultrahang az egyes pigmentrészecskéket a részecskék közötti nagy sebességű ütközésekkel őrli. Az ultrahangos kezelés kiemelkedő előnye a kavitációs nyíróerők erős hatása, amely szükségtelenné teszi az őrlőközegek (például gyöngyök, golyók) használatát. Mivel a részecskéket rendkívül gyors, akár 1000km/hr sebességű folyadéksugarak gyorsítják fel, hevesen ütköznek, és apró darabokra törnek. A részecskék kopása sima felületet biztosít az ultrahanggal őrölt részecskéknek. Összességében az ultrahangos őrlés és diszpergálás kis részecskeméretet és egyenletes részecskeeloszlást eredményez.

 

Az ultrahangos őrlés és diszpergálás gyakran felülmúlja a nagy sebességű keverők és az őrlőközeges malmok teljesítményét, mivel az ultrahangos kezelés az összes részecske egyenletesebb feldolgozását biztosítja. Az ultrahangos kezelés általában kisebb részecskeméreteket és szűk részecskeméret-eloszlást eredményez (pigmentőrlési görbék). Ez javítja a pigmentdiszperziók általános minőségét, mivel a nagyobb részecskék rendszerint kedvezőtlenül befolyásolják a feldolgozhatóságot, a fényességet, az ellenálló képességet és az optikai megjelenést.

Mivel a részecskék őrlése és aprítása az ultrahangos kavitáció következtében fellépő, részecskék közötti ütközéseken alapul, az ultrahangos reaktorok meglehetősen magas szilárdanyag-koncentrációkat (például mesterkeverékeket) is képesek kezelni, miközben továbbra is jó méretcsökkentési eredményeket biztosítanak. Az alábbi táblázat a TiO2 nedves őrléséről készült képeket mutatja.

Az alábbi grafikon a Degussa anatáz titán-dioxid ultrahangos kezeléssel végzett deagglomerálásának részecskeméret-eloszlási görbéit mutatja. A görbe ultrahangos kezelés utáni szűk alakja az ultrahangos feldolgozás jellegzetes sajátossága.

Nanoméretű anyagok nagy teljesítményű bevonatokban

A nanotechnológia fejlődő technológia, amely számos iparágban teret nyer. A bevonatformulációkban nanoanyagokat és nanokompozitokat használnak, például a kopás- és karcállóság vagy az UV-stabilitás javítására. A bevonatokban történő alkalmazás legnagyobb kihívása az átlátszóság, a tisztaság és a fényesség megőrzése. Ezért a nanorészecskéknek nagyon kicsiknek kell lenniük, hogy ne lépjenek kölcsönhatásba a fény látható spektrumával. Sok alkalmazásnál ez jóval 100nm alatti méretet jelent.

A nagy teljesítményű összetevők nanométeres mérettartományra történő nedves őrlése kulcsfontosságú lépéssé válik a nanotechnológiával kialakított bevonatok formulálásában. A látható fénnyel kölcsönhatásba lépő részecskék homályosságot és az átlátszóság csökkenését okozzák. Ezért nagyon szűk méreteloszlásokra van szükség. Az ultrahangos kezelés nagyon hatékony eszköz a szilárd anyagok finomőrlésére. A folyadékokban fellépő ultrahangos / akusztikus kavitáció nagy sebességű ütközéseket okoz a részecskék között. A hagyományos gyöngymalmoktól és kavicsmalmoktól eltérően maguk a részecskék aprítják egymást, így nincs szükség őrlőközegre.

Az olyan vállalatok, mint a Panadur (Németország), Hielscher ultrahangos készülékeket használnak a nanoanyagok diszpergálására és deagglomerálására a szerszámban felvitt bevonatokban. Kattintson ide, és olvasson többet a szerszámban felvitt bevonatok ultrahangos diszpergálásáról!

Gyúlékony folyadékok vagy oldószerek veszélyes környezetben végzett ultrahangos kezeléséhez ATEX-tanúsítvánnyal rendelkező feldolgozóberendezések állnak rendelkezésre. Tudjon meg többet az Atex-tanúsítvánnyal rendelkező UIP1000-Exd ultrahangos készülékről!