Gli ultrasuoni nella formulazione dei rivestimenti

Vari componenti, quali pigmenti, cariche, additivi chimici, agenti reticolanti e modificatori reologici, entrano nella composizione delle formulazioni di rivestimenti e vernici. Gli ultrasuoni sono un mezzo efficace per la dispersione, l’emulsificazione, la deagglomerazione e la macinazione di questi componenti nei rivestimenti.

Gli ultrasuoni vengono utilizzati nella formulazione dei rivestimenti per:

• emulsificazione di polimeri in sistemi acquosi
• dispersione e macinazione fine dei pigmenti
• riduzione delle dimensioni dei nanomateriali nei rivestimenti ad alte prestazioni

I rivestimenti si suddividono in due grandi categorie: resine e rivestimenti a base acquosa e a base solvente. Ciascuna tipologia presenta sfide specifiche. Le direttive che richiedono la riduzione dei composti organici volatili (VOC) e i prezzi elevati dei solventi stimolano lo sviluppo delle tecnologie dei rivestimenti a base di resine in sistemi acquosi. L’impiego della sonicazione può migliorare le prestazioni di questi sistemi ecocompatibili.

Formulazione dei rivestimenti migliorata grazie alla sonicazione

Gli ultrasuoni possono aiutare i formulatori di rivestimenti per l’edilizia, l’industria, il settore automobilistico e il legno a migliorare le caratteristiche dei rivestimenti, quali il potere colorante, la resistenza ai graffi, alle fessurazioni e ai raggi UV o la conducibilità elettrica. Alcune di queste caratteristiche si ottengono incorporando materiali di dimensioni nanometriche, ad esempio ossidi metallici (TiO₂, silice, ossido di cerio, ZnO, …).

Gli ultrasuoni contribuiscono inoltre all’eliminazione della schiuma (bolle intrappolate) e al degasaggio (gas disciolto) dei prodotti ad alta viscosità. Scopri di più sulla disaerazione e sul degasaggio dei liquidi mediante ultrasuoni!

Poiché la tecnologia di dispersione a ultrasuoni può essere utilizzata in laboratorio, con unità da banco e nella produzione industriale, consentendo capacità di trattamento superiori a 10 tonnellate/ora, viene impiegata sia nella fase di ricerca e sviluppo sia nella produzione commerciale. I risultati del processo possono essere trasferiti su scala maggiore in modo semplice e lineare.

I dispositivi a ultrasuoni Hielscher sono molto efficienti dal punto di vista energetico. Convertono circa l’80–90% della potenza elettrica assorbita in attività meccanica nel liquido. Questo comporta costi di trattamento notevolmente inferiori.

Seguendo i collegamenti qui sotto, puoi approfondire l’impiego degli ultrasuoni ad alte prestazioni per la

• emulsificazione di polimeri in sistemi acquosi,
• dispersione e macinazione fine dei pigmenti,
• e riduzione delle dimensioni 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 acquosa influisce sulla scelta delle materie prime, sulle proprietà e sui metodi di formulazione.

Nella polimerizzazione convenzionale in emulsione, ad esempio per i rivestimenti a base acquosa, le particelle si formano 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 polimeriche.

• Dall’alto verso il basso: Emulsificazione/dispersione di particelle polimeriche più grandi per generare particelle più piccole mediante riduzione delle dimensioni
• Dal basso verso l’alto: Impiego degli ultrasuoni prima o durante la polimerizzazione delle particelle

 

In questo video mostriamo un sistema a ultrasuoni da 2 kilowatt per il funzionamento in linea, alloggiato in un armadio con sistema di purga. Hielscher fornisce apparecchiature a ultrasuoni a quasi tutti i settori industriali, tra cui l’industria chimica, farmaceutica e cosmetica, i processi petrolchimici e i processi di estrazione con solventi. Questo armadio in acciaio inossidabile con sistema di purga è progettato per il funzionamento in aree pericolose. A tale scopo, il cliente può effettuare la purga dell’armadio a tenuta con azoto o aria fresca, per impedire l’ingresso di gas o vapori infiammabili.

 

Polimeri nanoparticellari nelle miniemulsioni

La polimerizzazione delle particelle nelle miniemulsioni consente di produrre particelle polimeriche disperse con un buon controllo delle loro dimensioni. La sintesi di particelle polimeriche nanometriche nelle miniemulsioni (note anche come nanoreattori), presentata da K. Landfester (2001), è un metodo eccellente per la formazione di nanoparticelle polimeriche. Questo approccio utilizza come nanoreattori i numerosi piccoli nanocompartimenti (fase dispersa) presenti in un’emulsione. Al loro interno, le particelle vengono sintetizzate con un elevato grado di parallelismo nelle singole goccioline confinate. Nel suo articolo, Landfester (2001) presenta la polimerizzazione nei nanoreattori con un elevato grado di perfezione, per generare particelle estremamente simili tra loro e di dimensioni quasi uniformi. L’immagine sopra mostra particelle ottenute mediante poliaddizione assistita da ultrasuoni nelle miniemulsioni.

Le piccole goccioline generate mediante l’applicazione di elevate forze di taglio (sonicazione) e stabilizzate da agenti stabilizzanti (emulsionanti) possono essere solidificate mediante una successiva polimerizzazione o abbassando la temperatura nel caso di materiali con una bassa temperatura di fusione. Poiché la sonicazione può produrre goccioline molto piccole e di dimensioni quasi uniformi sia nei processi in batch sia in quelli di produzione, consente un buon controllo delle dimensioni finali delle particelle. Per la polimerizzazione delle nanoparticelle, i monomeri idrofili possono essere emulsionati in una fase organica e quelli idrofobi in acqua.

Riducendo le dimensioni delle particelle, aumenta contemporaneamente la loro superficie totale. L’immagine a sinistra mostra la correlazione tra le dimensioni delle particelle e la superficie nel caso di particelle sferiche. Di conseguenza, la quantità di tensioattivo necessaria per stabilizzare l’emulsione aumenta in modo quasi lineare con la superficie totale delle particelle. Il tipo e la quantità di tensioattivo influenzano le dimensioni delle goccioline. Utilizzando tensioattivi anionici o cationici si possono ottenere goccioline da 30 a 200nm.

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 aggiunge pigmento in polvere a sistemi a base acquosa, a base solvente o epossidici, le singole particelle di pigmento tendono a formare grandi agglomerati. Convenzionalmente si utilizzano meccanismi ad alto taglio, quali miscelatori rotore-statore o mulini a sfere agitati, per rompere questi agglomerati e macinare le singole particelle di pigmento. La sonicazione è un’alternativa estremamente efficace per questa fase della produzione dei rivestimenti.

I grafici qui sotto mostrano l’effetto della sonicazione sulle dimensioni di un pigmento perlescente. Gli ultrasuoni macinano le singole particelle di pigmento mediante collisioni ad alta velocità tra le particelle. Il principale vantaggio della sonicazione è l’intensa azione delle forze di taglio generate dalla cavitazione, che rende superfluo l’impiego di corpi macinanti (ad esempio sfere o perle). Poiché le particelle vengono accelerate da getti di liquido estremamente veloci, fino a 1000km/hr, collidono violentemente e si frantumano in piccoli pezzi. L’abrasione delle particelle conferisce una superficie liscia alle particelle macinate mediante ultrasuoni. Nel complesso, la macinazione e la dispersione a ultrasuoni producono particelle fini con una distribuzione dimensionale uniforme.

 

La macinazione e la dispersione a ultrasuoni spesso superano le prestazioni dei miscelatori ad alta velocità e dei mulini con corpi macinanti, poiché la sonicazione assicura un trattamento più uniforme di tutte le particelle. In genere, la sonicazione produce particelle più piccole e una distribuzione granulometrica stretta (curve di macinazione dei pigmenti). Questo migliora la qualità complessiva delle dispersioni di pigmenti, poiché le particelle più grandi in genere compromettono la lavorabilità, la brillantezza, la resistenza e l’aspetto ottico.

Poiché la macinazione e la frantumazione delle particelle si basano sulle collisioni tra particelle indotte dalla cavitazione ultrasonica, i reattori a ultrasuoni possono trattare concentrazioni di solidi piuttosto elevate (ad esempio masterbatch) e ottenere comunque una buona riduzione delle dimensioni. La tabella qui sotto mostra immagini della macinazione a umido del TiO2.

Il grafico qui sotto mostra le curve di distribuzione granulometrica relative alla deagglomerazione mediante sonicazione del biossido di titanio Degussa nella forma anatasio. La forma stretta della curva dopo la sonicazione è una caratteristica tipica del trattamento a ultrasuoni.

Materiali nanometrici nei rivestimenti ad alte prestazioni

La nanotecnologia è una tecnologia emergente che si sta affermando in molti settori industriali. 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 principale per il loro impiego nei rivestimenti è mantenere la trasparenza, la limpidezza e la brillantezza. Le nanoparticelle devono quindi essere molto piccole per evitare interferenze con lo spettro visibile della luce. Per molte applicazioni, le dimensioni devono essere notevolmente inferiori a 100nm.

La macinazione a umido dei componenti ad alte prestazioni fino a dimensioni nanometriche diventa una fase cruciale nella formulazione dei rivestimenti progettati su scala nanometrica. Qualsiasi particella che interferisca con la luce visibile causa velatura e perdita di trasparenza. Sono quindi necessarie distribuzioni dimensionali molto strette. La sonicazione è un mezzo molto efficace per la macinazione fine dei solidi. La cavitazione ultrasonica / acustica nei liquidi provoca collisioni ad alta velocità tra le particelle. A differenza dei mulini a sfere e dei mulini a ciottoli convenzionali, sono le particelle stesse a frantumarsi reciprocamente, rendendo superflui i corpi macinanti.

Aziende come Panadur (Germania) utilizzano i sonicatori Hielscher per la dispersione e la deagglomerazione dei nanomateriali nei rivestimenti applicati nello stampo. Fai clic qui per approfondire la dispersione a ultrasuoni dei rivestimenti applicati nello stampo!

Per la sonicazione di liquidi infiammabili o solventi in ambienti pericolosi sono disponibili processori certificati ATEX. Scopri di più sul sonicatore UIP1000-Exd certificato ATEX!