Ultrasonik dalam Formulasi Pelapis

Berbagai komponen, seperti pigmen, bahan pengisi, aditif kimia, bahan pengikat silang, dan pengubah reologi digunakan dalam formulasi pelapis dan cat. Ultrasonik merupakan sarana yang efektif untuk mendispersikan, mengemulsikan, mendeaglomerasi, dan menggiling komponen-komponen tersebut dalam pelapis.

Ultrasonik digunakan dalam formulasi pelapis untuk:

• emulsifikasi polimer dalam sistem berair
• pendispersian dan penggilingan halus pigmen
• pengurangan ukuran nanomaterial dalam pelapis berkinerja tinggi

Pelapis terbagi menjadi dua kategori besar: resin dan pelapis berbasis air serta berbasis pelarut. Setiap jenis memiliki tantangannya sendiri. Arahan untuk mengurangi VOC dan tingginya harga pelarut mendorong pertumbuhan teknologi pelapis resin berbasis air. Penggunaan sonikasi dapat meningkatkan kinerja sistem ramah lingkungan tersebut.

Peningkatan Formulasi Pelapis melalui Sonikasi

Ultrasonik dapat membantu formulator pelapis arsitektural, industri, otomotif, dan kayu untuk meningkatkan karakteristik pelapis, seperti kekuatan warna, ketahanan terhadap goresan, retakan, dan UV, atau konduktivitas listrik. Beberapa karakteristik pelapis ini dicapai dengan penambahan material berukuran nano, misalnya oksida logam (TiO₂, silika, serium oksida, ZnO, …).

Ultrasonik juga membantu menghilangkan busa (gelembung yang terperangkap) dan gas (gas terlarut) dari produk dengan viskositas tinggi. Baca selengkapnya tentang deaerasi dan penghilangan gas dari cairan menggunakan ultrasonik!

Karena teknologi pendispersian ultrasonik dapat digunakan pada skala laboratorium, unit meja, dan produksi industri, dengan kapasitas pemrosesan lebih dari 10 tons/hour, teknologi ini diterapkan pada tahap penelitian dan pengembangan serta dalam produksi komersial. Hasil proses dapat ditingkatkan skalanya dengan mudah dan secara linear.

Perangkat ultrasonik Hielscher sangat hemat energi. Perangkat ini mengubah sekitar 80 hingga 90% daya listrik masukan menjadi aktivitas mekanis dalam cairan. Hal ini menghasilkan biaya pemrosesan yang jauh lebih rendah.

Melalui tautan di bawah ini, Anda dapat membaca lebih lanjut tentang penggunaan ultrasonik berkinerja tinggi untuk

• emulsifikasi polimer dalam sistem berair,
• pendispersian dan penggilingan halus pigmen,
• dan pengurangan ukuran nanomaterial.

Polimerisasi Emulsi Menggunakan Sonikasi

Formulasi pelapis tradisional menggunakan kimia polimer dasar. Peralihan ke teknologi pelapis berbasis air memengaruhi pemilihan bahan baku, sifat, dan metodologi formulasi.

Dalam polimerisasi emulsi konvensional, misalnya untuk pelapis berbasis air, partikel terbentuk dari pusat menuju permukaannya. Faktor kinetika memengaruhi homogenitas dan morfologi partikel.

Pemrosesan ultrasonik dapat digunakan dengan dua cara untuk menghasilkan emulsi polimer.

• Dari Atas ke Bawah: Pengemulsian/pendispersian partikel polimer yang lebih besar untuk menghasilkan partikel yang lebih kecil melalui pengurangan ukuran
• Dari Bawah ke Atas: Penggunaan ultrasonik sebelum atau selama polimerisasi partikel

 

Dalam video ini, kami menunjukkan sistem ultrasonik 2 kilowatt untuk operasi inline dalam kabinet yang dapat dipurga. Hielscher memasok peralatan ultrasonik untuk hampir semua industri, seperti industri kimia, farmasi, kosmetik, proses petrokimia, serta proses ekstraksi berbasis pelarut. Kabinet baja tahan karat yang dapat dipurga ini dirancang untuk pengoperasian di area berbahaya. Untuk tujuan ini, pelanggan dapat mempurga kabinet tertutup rapat tersebut dengan nitrogen atau udara segar guna mencegah gas atau uap yang mudah terbakar masuk ke dalam kabinet.

 

Polimer Nanopartikulat dalam Miniemulsi

Polimerisasi partikel dalam miniemulsi memungkinkan pembuatan partikel polimer terdispersi dengan kendali yang baik atas ukuran partikel. Sintesis partikel polimer nanopartikulat dalam miniemulsi (juga dikenal sebagai nanoreaktor), sebagaimana dipaparkan oleh K. Landfester (2001), merupakan metode yang sangat baik untuk pembentukan nanopartikel polimer. Pendekatan ini menggunakan sejumlah besar nanokompartemen kecil (fase terdispersi) dalam emulsi sebagai nanoreaktor. Di dalamnya, partikel disintesis secara sangat paralel dalam masing-masing tetesan yang ruangnya terbatas. Dalam makalahnya, Landfester (2001) menyajikan polimerisasi dalam nanoreaktor dengan tingkat kesempurnaan yang tinggi untuk menghasilkan partikel yang sangat identik dengan ukuran yang hampir seragam. Gambar di atas menunjukkan partikel yang diperoleh melalui poliadisi berbantuan ultrasonik dalam miniemulsi.

Tetesan kecil yang dihasilkan melalui penerapan geser tinggi (sonikasi) dan distabilkan oleh bahan penstabil (pengemulsi) dapat dikeraskan melalui polimerisasi berikutnya atau melalui penurunan suhu untuk material yang meleleh pada suhu rendah. Karena sonikasi dapat menghasilkan tetesan yang sangat kecil dengan ukuran hampir seragam dalam proses batch maupun produksi, sonikasi memungkinkan kendali yang baik atas ukuran akhir partikel. Untuk polimerisasi nanopartikel, monomer hidrofilik dapat diemulsikan ke dalam fase organik, dan monomer hidrofobik ke dalam air.

Saat ukuran partikel dikurangi, luas permukaan total partikel meningkat pada saat yang sama. Gambar di sebelah kiri menunjukkan hubungan antara ukuran partikel dan luas permukaan untuk partikel berbentuk bola. Oleh karena itu, jumlah surfaktan yang diperlukan untuk menstabilkan emulsi meningkat hampir secara linear seiring dengan luas permukaan total partikel. Jenis dan jumlah surfaktan memengaruhi ukuran tetesan. Tetesan berukuran 30 hingga 200nm dapat diperoleh menggunakan surfaktan anionik atau kationik.

Pigmen dalam Pelapis

Pigmen organik dan anorganik merupakan komponen penting dalam formulasi pelapis. Untuk memaksimalkan kinerja pigmen, diperlukan kendali yang baik atas ukuran partikel. Saat bubuk pigmen ditambahkan ke sistem berbasis air, berbasis pelarut, atau epoksi, masing-masing partikel pigmen cenderung membentuk aglomerat besar. Mekanisme geser tinggi, seperti pencampur rotor-stator atau penggiling manik berpengaduk, secara konvensional digunakan untuk memecah aglomerat tersebut dan menggiling masing-masing partikel pigmen hingga lebih kecil. Sonikasi merupakan alternatif yang sangat efektif untuk tahap ini dalam pembuatan pelapis.

Grafik di bawah ini menunjukkan pengaruh sonikasi terhadap ukuran pigmen berkilau mutiara. Ultrasonik menggiling masing-masing partikel pigmen melalui tumbukan antarpartikel berkecepatan tinggi. Keunggulan utama sonikasi adalah kuatnya efek gaya geser akibat kavitasi, yang menjadikan penggunaan media penggiling (misalnya manik-manik, butiran penggilingan) tidak diperlukan. Karena partikel dipercepat oleh semburan cairan yang sangat cepat hingga 1000km/hr, partikel-partikel tersebut bertumbukan dengan kuat dan pecah menjadi bagian-bagian kecil. Abrasi partikel memberikan permukaan yang halus pada partikel yang digiling secara ultrasonik. Secara keseluruhan, penggilingan dan pendispersian ultrasonik menghasilkan distribusi partikel berukuran halus dan seragam.

 

Penggilingan dan pendispersian ultrasonik sering mengungguli pencampur berkecepatan tinggi dan penggiling bermedia karena sonikasi menghasilkan pemrosesan yang lebih konsisten untuk semua partikel. Secara umum, sonikasi menghasilkan ukuran partikel yang lebih kecil dan distribusi ukuran partikel yang sempit (kurva penggilingan pigmen). Hal ini meningkatkan kualitas keseluruhan dispersi pigmen, karena partikel yang lebih besar biasanya mengganggu kemampuan pemrosesan, kilap, ketahanan, dan tampilan optik.

Karena penggilingan dan penghalusan partikel didasarkan pada tumbukan antarpartikel akibat kavitasi ultrasonik, reaktor ultrasonik dapat menangani konsentrasi padatan yang cukup tinggi (misalnya masterbatch) dan tetap menghasilkan efek pengurangan ukuran yang baik. Tabel di bawah ini menampilkan gambar penggilingan basah TiO2.

Grafik di bawah ini menunjukkan kurva distribusi ukuran partikel untuk deaglomerasi titanium dioksida anatase Degussa melalui sonikasi. Bentuk kurva yang sempit setelah sonikasi merupakan ciri khas pemrosesan ultrasonik.

Material Berukuran Nano dalam Pelapis Berkinerja Tinggi

Nanoteknologi merupakan teknologi yang sedang berkembang dan mulai diterapkan di banyak industri. Nanomaterial dan nanokomposit digunakan dalam formulasi pelapis, misalnya untuk meningkatkan ketahanan terhadap abrasi dan goresan atau stabilitas terhadap UV. Tantangan terbesar dalam penerapannya pada pelapis adalah mempertahankan transparansi, kejernihan, dan kilap. Oleh karena itu, nanopartikel harus sangat kecil untuk menghindari gangguan terhadap spektrum cahaya tampak. Untuk banyak aplikasi, ukuran ini jauh di bawah 100nm.

Penggilingan basah komponen berkinerja tinggi hingga rentang nanometer menjadi tahap penting dalam formulasi pelapis yang direkayasa pada skala nano. Setiap partikel yang mengganggu cahaya tampak menyebabkan kekeruhan dan berkurangnya transparansi. Oleh karena itu, diperlukan distribusi ukuran yang sangat sempit. Sonikasi merupakan sarana yang sangat efektif untuk penggilingan halus padatan. Kavitasi ultrasonik / akustik dalam cairan menyebabkan tumbukan antarpartikel berkecepatan tinggi. Berbeda dengan penggiling manik dan penggiling kerikil konvensional, partikel-partikel itu sendiri saling memperkecil ukuran, sehingga media penggiling tidak diperlukan.

Perusahaan seperti Panadur (Jerman) menggunakan sonikator Hielscher untuk pendispersian dan deaglomerasi nanomaterial dalam pelapis di dalam cetakan. Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang pendispersian ultrasonik pelapis di dalam cetakan!

Untuk sonikasi cairan atau pelarut yang mudah terbakar di lingkungan berbahaya, tersedia prosesor bersertifikasi ATEX. Pelajari lebih lanjut tentang sonikator UIP1000-Exd bersertifikasi Atex!