Ultrasonik untuk Dispersi dan Penggilingan: Cat & Pigmen

Ultrasonik berdaya tinggi dikenal luas karena efek penggilingan dan dispersinya yang intens serta dapat dikontrol secara presisi. Hal ini menjadikan homogenizer ultrasonik ideal untuk produksi pasta pigmen dan formulasi cat. Sonikator industri menghasilkan distribusi ukuran partikel yang sangat seragam dalam rentang mikron dan nano. Proses aliran bervolume besar dengan viskositas tinggi menggunakan sonikator Hielscher untuk mencapai pembasahan, dispersi, deaglomerasi, dan penggilingan yang homogen!

Pembuatan Cat dengan Ultrasonik

Tingkatkan Cat, Pewarna, dan Pelapis Anda dengan Sonikasi:

• Formulasi: Baik dengan viskositas tinggi, kandungan partikel tinggi, berbasis air maupun pelarut – dengan sonikator industri inline Hielscher, Anda dapat memproses formulasi apa pun.
• Ukuran Mikron dan Nano: Gaya geser tinggi yang dihasilkan oleh kavitasi akustik memperkecil diameter partikel hingga sangat kecil dan menghasilkan dispersi yang seragam. Penyesuaian parameter ultrasonikasi dengan kebutuhan partikel dan formulasi Anda memungkinkan produksi pigmen berukuran nano secara andal.
• Sifat Optik: Untuk memperoleh sifat optik yang tepat, ukuran partikel pigmen harus dikontrol. Biasanya, opasitas berkorelasi dengan ukuran partikel: semakin halus ukuran partikel, semakin tinggi opasitasnya. Sebagai contoh, TiO2 secara khusus diproses hingga ukuran partikel 0,20 hingga 0,3 mikron, yang kira-kira setara dengan setengah panjang gelombang cahaya. Ultrasonikasi memperkecil pigmen TiO2 hingga ukuran optimumnya sehingga diperoleh daya tutup maksimal.
• Partikel Berkinerja Tinggi: Ukuran partikel yang lebih kecil menghasilkan saturasi warna, konsistensi warna, dan stabilitas yang lebih tinggi. Gaya ultrasonik yang intens, namun dapat dikontrol secara presisi, memungkinkan produksi nanopartikel yang dimodifikasi dan difungsionalisasi, seperti partikel berlapis, SWNTs, MWCNTs, dan partikel inti–cangkang. Partikel tersebut menunjukkan karakteristik unik dan meningkatkan formulasi cat atau pelapis ke tingkat kualitas dan fungsionalitas yang baru (misalnya ketahanan UV, ketahanan gores, kekuatan, daya rekat, ketahanan panas tinggi, serta reflektivitas inframerah dan sinar matahari).
• Partikel yang Dimodifikasi: Pigmen yang permukaannya dimodifikasi memiliki viskositas sangat rendah pada kandungan pigmen tinggi (2,5cP pada 10% padatan), stabilitas suspensi yang unggul, dan kemurnian tinggi. Fungsionalisasi partikel berbantuan ultrasonik memudahkan sintesis pigmen berkinerja tinggi dengan karakteristik khusus.

Pasta pigmen yang digiling dan didispersikan menggunakan kavitasi ultrasonik dan gaya geser tinggi menunjukkan pengurangan ukuran yang signifikan dan distribusi yang seragam. Grafik di atas menunjukkan pengurangan ukuran yang semakin besar seiring dengan peningkatan energi ultrasonik.

Untuk produksi cat, komponen seperti pigmen, pengikat/ pembentuk film, pengencer/ pelarut, resin, bahan pengisi, dan aditif harus dicampur menjadi formulasi yang homogen. Pigmen merupakan komponen penentu yang memberikan warna pada cat. Pigmen putih yang paling penting adalah TiO2, yang perlu digiling hingga ukuran partikel optimum berdiameter antara 0,2 dan 0,3 mikron untuk menunjukkan tingkat keputihan, kecerahan, opasitas, dan indeks bias sangat tinggi yang diinginkan. Gaya geser ultrasonik menghasilkan deaglomerasi dan dispersi partikel TiO2 yang sangat efektif dan hemat energi (lihat gambar di bawah).

TEM suspensi nanopartikel TiO2 yang didispersikan secara ultrasonik dengan berbagai konsentrasi padatan. Sonikasi dilakukan menggunakan sonikator UIP1000hdT
Kiri: masukan energi ultrasonik 1,8 × 10⁵ J/L – Kanan: masukan energi ultrasonik 5,4 × 10⁵ J/L
(Studi dan gambar: ©Fasaki et al., 2012)

 
Penggilingan dan dispersi ultrasonik meningkatkan kualitas cat dengan meningkatkan kekuatan warna, densitas, kehalusan penggilingan, dispersi, dan reologinya.

Kondisi Dispersi & Penggilingan Ultrasonik

Kualitas cat dan pelapis bergantung pada dispersi pigmen yang homogen. Hielscher Ultrasonics menyediakan peralatan penggilingan dan penghalusan yang efektif untuk dispersi cat, terutama untuk formulasi dengan kandungan pigmen tinggi. Mekanisme alat pendispersi ultrasonik untuk aplikasi penggilingan, penghalusan, deaglomerasi, dan dispersi terutama didasarkan pada prinsip geser yang dihasilkan oleh kavitasi ultrasonik. Gaya geser kavitasi yang diperlukan untuk pemisahan partikel dihasilkan oleh perbedaan tekanan yang tinggi, titik panas lokal, dan semburan cairan, yang menyebabkan pemecahan partikel melalui tumbukan antarpartikel.
Alat pendispersi ultrasonik industri seperti UIP16000hdT dengan daya 16.000 watt per probe ultrasonik memiliki kapasitas untuk memproses aliran cat dan pelapis bervolume besar.

Cat kapur yang disonikasi pada grindometer menunjukkan deaglomerasi dan distribusi ukuran partikel pigmen yang seragam sempurna

Dispersi Nanopartikel

Penggilingan dan dispersi ultrasonik sering kali merupakan satu-satunya metode untuk memproses nanopartikel secara efisien guna memperoleh partikel primer yang terdispersi secara individual. Ukuran partikel primer yang kecil menghasilkan luas permukaan yang besar dan berkorelasi dengan munculnya karakteristik serta fungsionalitas partikel yang unik. Pada saat yang sama, ukuran partikel yang lebih kecil dikaitkan dengan energi permukaan yang tinggi sehingga agregasi dan reaktivitas menjadi lebih kuat, sehingga diperlukan gaya dispersi ultrasonik yang intens untuk mendispersikan nanopartikel secara homogen ke dalam formulasi.
Selain itu, perlakuan permukaan secara ultrasonik dapat memodifikasi nanopartikel sehingga meningkatkan kemampuan dispersi, stabilitas dispersi, hidrofobisitas, dan sifat lainnya.
Para peneliti telah merekomendasikan metode dispersi ultrasonik untuk nanopartikel sebagai solusi pilihan, “karena material yang didispersikan dengan metode ultrasonik jauh lebih murni daripada material yang dihasilkan melalui penggilingan dengan penggiling manik.” [Kim et al. 2010].

Teknik dispersi ultrasonik memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan teknologi penggilingan tradisional seperti penggiling tiga rol, bola, atau media.

Baca selengkapnya tentang homogenisasi dan dispersi ultrasonik pigmen serta pewarna untuk masterbatch dan formulasi cat!

Literatur / Referensi

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.