Gli ultrasuoni nella formulazione dei rivestimenti

Diversi componenti, come pigmenti, cariche, additivi chimici, reticolanti e modificatori reologici, entrano nelle formulazioni di rivestimenti e vernici. Gli ultrasuoni sono un mezzo efficace per la dispersione e l'emulsione, la deagglomerazione e la macinazione di tali componenti nei rivestimenti.

Gli ultrasuoni vengono utilizzati nella formulazione di rivestimenti per:

• emulsione di polimeri in sistemi acquosi
• dispersione e macinazione fine dei pigmenti
• riduzione dimensionale dei nanomateriali nei rivestimenti ad alte prestazioni

I rivestimenti si dividono in due grandi categorie: resine e rivestimenti a base di acqua e a base di solventi. Ogni tipo ha le sue sfide. Le direttive per la riduzione dei VOC e i prezzi elevati dei solventi stimolano la crescita delle tecnologie di rivestimento con resine a base acquosa. L'uso degli ultrasuoni può migliorare le prestazioni di questi sistemi ecologici.

Formulazione migliorata del rivestimento grazie all'ultrasuonoterapia

Gli ultrasuoni possono aiutare i formulatori di rivestimenti architettonici, industriali, automobilistici e per il legno a migliorare le caratteristiche del rivestimento, come la forza del colore, la resistenza ai graffi, alle crepe e ai raggi UV o la conduttività elettrica. Alcune di queste caratteristiche del rivestimento sono ottenute grazie all'inclusione di materiali di dimensioni nanometriche, ad esempio ossidi metallici (TiO₂, silice, ceria, ZnO, …).

Poiché la tecnologia di dispersione a ultrasuoni può essere utilizzata a livello di laboratorio, di banco e di produzione industriale, consentendo velocità di produzione superiori a 10 tonnellate/ora, viene applicata nel settore della ricerca e sviluppo.&D e nella produzione commerciale. I risultati del processo possono essere scalati in modo semplice e lineare.

I dispositivi a ultrasuoni Hielscher sono molto efficienti dal punto di vista energetico. I dispositivi convertono circa l'80-90% della potenza elettrica in ingresso in attività meccanica nel liquido. Ciò consente di ridurre notevolmente i costi di lavorazione.

Seguendo i link sottostanti, è possibile leggere ulteriori informazioni sull'uso degli ultrasuoni ad alte prestazioni per il

• emulsione di polimeri in sistemi acquosi,
• dispersione e macinazione fine dei pigmenti,
• e riduzione dimensionale dei nanomateriali.

Polimerizzazione in emulsione mediante sonicazione

Le formulazioni tradizionali dei rivestimenti utilizzano la chimica di base dei polimeri. Il passaggio alla tecnologia dei rivestimenti a base d'acqua ha un impatto sulla selezione delle materie prime, sulle proprietà e sulle metodologie di formulazione.

Nella polimerizzazione in emulsione convenzionale, ad esempio per i rivestimenti a base d'acqua, le particelle vengono costruite dal centro verso la superficie. I fattori cinetici influenzano l'omogeneità e la morfologia delle particelle.

Il trattamento a ultrasuoni può essere utilizzato in due modi per generare emulsioni di polimeri.

• dall'alto verso il basso: la emulsione/la dispersione di particelle polimeriche più grandi per generare particelle più piccole mediante riduzione dimensionale
• dal basso verso l'alto: Uso degli ultrasuoni prima o durante la polimerizzazione delle particelle

Polimeri nanoparticolati in miniemulsioni

La polimerizzazione di particelle in miniemulsioni consente di produrre particelle polimeriche disperse con un buon controllo sulle dimensioni delle particelle. La sintesi di particelle polimeriche nanoparticolate in miniemulsioni (note anche come nanoreattori), presentata da K. Landfester (2001), è un metodo eccellente per la formazione di nanoparticelle polimeriche. Questo approccio utilizza l'elevato numero di piccoli nanocompartimenti (fase dispersa) in un'emulsione come nanoreattori. In questo modo, le particelle vengono sintetizzate in modo altamente parallelo nelle singole gocce confinate. Nel suo articolo, Landfester (2001) presenta la polimerizzazione in nanoreattori ad alta perfezione per la generazione di particelle altamente identiche di dimensioni quasi uniformi. L'immagine qui sopra mostra le particelle ottenute per poliaddizione assistita da ultrasuoni in miniemulsioni.

Le piccole gocce generate dall'applicazione di un taglio elevato (ultrasuoni) e stabilizzate da agenti stabilizzanti (emulsionanti), possono essere indurite dalla successiva polimerizzazione o dalla diminuzione della temperatura nel caso di materiali che fondono a bassa temperatura. Poiché l'ultrasuonoterapia è in grado di produrre gocce molto piccole di dimensioni quasi uniformi nel processo di produzione e in batch, consente un buon controllo sulle dimensioni finali delle particelle. Per la polimerizzazione delle nanoparticelle, i monomeri idrofili possono essere emulsionati in una fase organica e quelli idrofobici in acqua.

Quando si riducono le dimensioni delle particelle, l'area superficiale totale delle particelle aumenta allo stesso tempo. L'immagine a sinistra mostra la correlazione tra dimensione delle particelle e area superficiale nel caso di particelle sferiche. Pertanto, la quantità di tensioattivo necessaria per stabilizzare l'emulsione aumenta quasi linearmente con l'area superficiale totale delle particelle. Il tipo e la quantità di tensioattivo influenzano la dimensione delle gocce. Si possono ottenere gocce da 30 a 200 nm utilizzando tensioattivi anionici o cationici.

Pigmenti nei rivestimenti

I pigmenti organici e inorganici sono un componente importante delle formulazioni dei rivestimenti. Per massimizzare le prestazioni dei pigmenti è necessario un buon controllo delle dimensioni delle particelle. Quando si aggiungono pigmenti in polvere a sistemi a base acquosa, a base solvente o epossidici, le singole particelle di pigmento tendono a formare grandi agglomerati. Per rompere tali agglomerati e macinare le singole particelle di pigmento, si utilizzano tradizionalmente meccanismi ad alto coefficiente di taglio, come i miscelatori a rotore e statore o i mulini a perle con agitatore. Gli ultrasuoni rappresentano un'alternativa estremamente efficace per questa fase della produzione dei rivestimenti.

I grafici seguenti mostrano l'impatto della sonicazione sulle dimensioni di un pigmento perlato. Gli ultrasuoni macinano le singole particelle di pigmento mediante collisione interparticellare ad alta velocità. Il vantaggio principale dell'ultrasuonazione è l'elevato impatto delle forze di taglio cavitazionali, che rende superfluo l'uso di mezzi di macinazione (ad es. perline, perle). Quando le particelle vengono accelerate da getti di liquido estremamente veloci, fino a 1000 km/h, si scontrano violentemente e si frantumano in piccoli pezzi. L'abrasione delle particelle conferisce alle particelle macinate a ultrasuoni una superficie liscia. Nel complesso, la macinazione e la dispersione a ultrasuoni consentono di ottenere una distribuzione delle particelle fine e uniforme.

Macinazione e dispersione a ultrasuoni di pigmenti perlati. Il grafico rosso mostra la distribuzione delle dimensioni delle particelle prima della sonicazione, la curva verde durante la sonicazione, mentre la curva blu mostra i pigmenti finali dopo la dispersione a ultrasuoni.

La macinazione e la dispersione a ultrasuoni spesso superano i miscelatori ad alta velocità e i mulini a media, in quanto la sonicazione fornisce un trattamento più coerente di tutte le particelle. In genere, gli ultrasuoni producono particelle di dimensioni ridotte e una distribuzione granulometrica stretta (curve di macinazione dei pigmenti). Ciò migliora la qualità complessiva delle dispersioni di pigmento, poiché le particelle più grandi interferiscono in genere con la lavorabilità, la brillantezza, la resistenza e l'aspetto ottico.

Poiché la macinazione e la frantumazione delle particelle si basa sulla collisione interparticellare come risultato della cavitazione ultrasonica, i reattori a ultrasuoni possono gestire concentrazioni di solidi piuttosto elevate (ad esempio, lotti master) e produrre comunque buoni effetti di riduzione dimensionale. La tabella seguente mostra le immagini della macinazione a umido di TiO2.

TiO2 macinato a sfere prima e dopo la macinazione a ultrasuoni

TiO2 essiccato a spruzzo prima e dopo la macinazione a ultrasuoni

Il grafico sottostante mostra le curve di distribuzione delle dimensioni delle particelle per la deagglomerazione del biossido di titanio anatasio Degussa mediante ultrasuoni. La forma stretta della curva dopo la sonicazione è una caratteristica tipica della lavorazione a ultrasuoni.

Il TiO2 disperso a ultrasuoni (Degussa anatase) mostra una stretta distribuzione delle dimensioni delle particelle.

Materiali nanometrici nei rivestimenti ad alte prestazioni

La nanotecnologia è una tecnologia emergente che si sta facendo strada in molti settori. I nanomateriali e i nanocompositi vengono utilizzati nelle formulazioni dei rivestimenti, ad esempio per migliorare la resistenza all'abrasione e ai graffi o la stabilità ai raggi UV. La sfida maggiore per l'applicazione nei rivestimenti è il mantenimento della trasparenza, della chiarezza e della brillantezza. Pertanto, le nanoparticelle devono essere molto piccole per evitare interferenze con lo spettro visibile della luce. Per molte applicazioni, questo valore è sostanzialmente inferiore a 100 nm.

La macinazione a umido di componenti ad alte prestazioni fino alla gamma nanometrica diventa una fase cruciale nella formulazione di rivestimenti nanoingegnerizzati. Le particelle che interferiscono con la luce visibile causano foschia e perdita di trasparenza. Pertanto, sono necessarie distribuzioni dimensionali molto strette. Gli ultrasuoni sono un mezzo molto efficace per la macinazione fine dei solidi. La cavitazione ultrasonica/acustica nei liquidi provoca collisioni interparticellari ad alta velocità. A differenza dei mulini a perline e dei mulini a ciottoli convenzionali, le particelle stesse si sminuzzano a vicenda, rendendo superflui i mezzi di macinazione.

Le aziende, come Panadur (Germania) utilizzare gli ultrasuoni Hielscher per la dispersione e la deagglomerazione dei nanomateriali nei rivestimenti in stampo. Cliccate qui per saperne di più sulla dispersione a ultrasuoni dei rivestimenti in stampo!

Per la sonicazione di liquidi o solventi infiammabili in ambienti pericolosi sono disponibili processori certificati ATEX. Per saperne di più sull'ultrasuonatore certificato Atex UIP1000-Exd!