Formulazioni adesive ad alte prestazioni – Migliorato dalla dispersione ultrasonica

Gli adesivi ad alte prestazioni sono composti da sistemi epossidici, siliconici, poliuretanici, polisolfurici o acrilici contenenti varie (nano)cariche e additivi, che danno all'adesivo prestazioni speciali come forza di legame, leggerezza, durata, resistenza al calore e sostenibilità. Una miscelazione efficiente e affidabile è necessaria per formulare adesivi ad alte prestazioni. La dispersione e l'emulsione a ultrasuoni vengono utilizzate per combinare vari componenti in modo uniforme in miscele adesive omogenee. La sonicazione in linea mescola anche materiali ad alta viscosità e alti carichi di nano-filler in modo affidabile ed efficace producendo adesivi superiori.

Forze ultrasoniche ad alto taglio per la dispersione di adesivi ad alte prestazioni

Gli adesivi ad alte prestazioni offrono una straordinaria forza di incollaggio, durata e leggerezza. A seconda dell'applicazione finale, polimeri, copolimeri e additivi multipli sono formulati secondo ricette elaborate.

Ultrasonic milling and dispersing is a highly efficient method for particle size reduction, e.g. magnesium hydride

La macinazione a umido e la dispersione a ultrasuoni è un metodo altamente efficiente per la riduzione delle dimensioni delle particelle, ad esempio di TiO2 e altre nanoparticelle

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Industrial ultrasonic dispersion system with 16kW for continuous inline processing of high-performance adhesives, polymers, coatings, and resins.

MultiSonoReactor con 4x 4kW per applicazioni di potenza ultrasonica come la produzione di adesivi nano-rinforzati.

High-performance adhesive and glue production benefits significantly from ultrasonic dispersion. Sonication incorporates nanofillers and additives uniformly into polymer matrices.I sistemi epossidici, siliconici, poliuretanici e acrilici per adesivi e colle sono prodotti da formulatori che modificano la base adesiva aggiungendo adesivi, cariche minerali (talco, silice, allumina, ecc.), flessibilizzatori, riduttori di viscosità, coloranti, addensanti, acceleratori, promotori di adesione, ecc. Queste modifiche servono a diversi scopi, come migliorare le prestazioni e/o la comodità di lavorazione o ridurre i costi. I disperditori a ultrasuoni ad alto potere di taglio sono ideali per formulare diversi sistemi epossidici in linea e permettono la produzione flessibile di adesivi su misura per i requisiti di particolari applicazioni.

Miscelatori a ultrasuoni ad alto potere di taglio per applicazioni di dispersione ed emulsione impegnative

I processori a ultrasuoni ad alte prestazioni funzionano come un mixer ad alto taglio. Le estreme forze di taglio elevate sono generate dalla cavitazione ultrasonica/acustica e sono ideali per applicazioni di emulsificazione, dispersione, macinazione, deagglomerazione e omogeneizzazione in batch e in linea. Concentrazioni e viscosità solide da basse ad alte possono essere facilmente trattate con i disperditori in linea ad ultrasuoni.

Miscelazione ultrasonica ad alto taglio di nanomateriali in adesivi

Ultrasonic dispersion is a well established technique to disperse nanoparticles and nanotubes in polymers, e.g. in high-performance adhesives. The ultrasonic homogenizer UP400St is a powerful device for the dispersion of nanofillers.I nanomateriali come i nanotubi di carbonio (CNT), le nanoparticelle metalliche, la nano-silice, le nano-argille, le nanofibre e molte altre particelle di dimensioni nano sono utilizzate per produrre polimeri nanorinforzati (nanocompositi). Le nanoparticelle sono ben note per la loro capacità di alterare le proprietà meccaniche (per esempio, rigidità, elasticità), le proprietà elettriche (per esempio, conducibilità), le proprietà funzionali (per esempio, permeabilità, temperatura di transizione vetrosa, modulo), e le prestazioni di frattura degli adesivi polimerici termoindurenti. Non solo dare ai nanomateriali proprietà speciali ad alte prestazioni come la forza di legame, la durata, la conducibilità, l'elasticità o la resistenza al calore; l'aggiunta di particelle nano-strutturate può migliorare anche le proprietà di barriera dei polimeri.
Le forze di taglio elevate della cavitazione acustica generata dagli ultrasuoni sono ben note per la loro capacità di deagglomerare e disperdere le nano-particelle e persino di rompere le particelle primarie (cioè la fresatura ultrasonica). Quando queste forze ultrasoniche vengono applicate a sistemi polimerici contenenti nanoparticelle e altri riempitivi, si ottiene una formulazione molto uniforme. La dispersione a ultrasuoni è un metodo ad alta efficienza energetica che mostra un minore consumo di energia rispetto ai metodi convenzionali di miscelazione a taglio, come i miscelatori a lama ad alto taglio, i miscelatori a girante o i mulini.

Vantaggi degli adesivi formulati ad ultrasuoni

  • Dispersione affidabile ed efficiente
  • Prestazioni complessive di miscelazione superiori
  • Miscelazione rapida
  • rendimento elevato
  • Nano-rinforzo
  • Degassificazione
  • Aumento della forza di legame
  • Facilmente in grado di processare alte viscosità
  • batch e in linea
  • Test di formulazione senza rischi
  • scale-up lineare
  • Efficienza energetica

Kaboori et al. (2013) hanno dimostrato che l'ultrasonicazione è un metodo efficace per disperdere strutture stratificate di montmorillonite (MMT) e sviluppare adesivi PVA rinforzati con MMT. L'ultrasuonazione si è dimostrata affidabile ed efficiente nel disperdere la nanoclay in PVA a basso (1% e 2%) e alto (4%) carico.
Il team di ricerca ha scoperto che la "tecnica a ultrasuoni è molto efficiente nel disperdere la nanoclay soprattutto a carichi elevati, al contrario del mixer ad alta velocità di taglio. La miscelazione ad alta velocità potrebbe disperdere la nanoclay nel PVA solo a basse cariche e aumentare la forza di legame del PVA in diverse condizioni. La miscelazione ad alta velocità ha alcuni svantaggi: possibili danni all'emulsione di PVA (a causa della forte forza di taglio usata durante la miscelazione), costi elevati e consumo di energia elevato. Al contrario, la tecnica di ultrasuoni ha un impatto negativo minimo sull'emulsione PVA. Inoltre, la tecnica di ultrasuoni è economica in quanto la miscelazione ad ultrasuoni può avvenire prima della produzione di PVA e la soluzione contenente nanoclay può essere aggiunta al PVA durante il processo di produzione. Considerando i risultati ottenuti da questo articolo e dal nostro lavoro precedente e considerando i vantaggi della tecnica degli ultrasuoni rispetto alla miscelazione ad alta velocità, l'aggiunta di nanoclay al PVA in scala industriale sembra fattibile e può essere raccomandata ai produttori di adesivi per legno." (Kaboori et al., 2013)

Ultrasonic high-shear mixing and dispersion is used to incorporate nano-fillers into polymer matrices, e.g. for high-performance adhesive production

Confronto tra diversi nanofiller dispersi nel catalizzatore (ultrasuoni-US): (a) 0,5 wt% nanofibra di carbonio (CNF); (b) 0,5 wt% CNT ossidato

Studio e immagine: Zanghellini et al., 2021

Effetti della degassificazione a ultrasuoni nella produzione di adesivi

Un ulteriore vantaggio della sonicazione, che migliora notevolmente i risultati della formulazione, è l'effetto di degassificazione del trattamento ultrasonico. L'agitazione meccanica ad alta velocità (ad esempio, miscelatori a lame ad alto taglio) produce un gran numero di bolle di gas nella miscela, che in alcuni casi potrebbero anche essere notate a causa del colore acceso della miscela. La miscelazione ultrasonica ad alto taglio ha l'enorme vantaggio che la tecnica di sonicazione non incorpora i gas nella formulazione dell'adesivo, invece le onde ultrasoniche costringono le bolle di gas già presenti a coalizzarsi e a galleggiare sulla superficie del liquido, da dove il gas può essere facilmente rimosso. In questo modo, l'ultrasuono promuove la degassificazione e la disaerazione dei liquidi e delle formulazioni adesive. (cp. Shadlou et al., 2014)

Ultrasuonatore UP200St (200W) che disperde il nero di carbonio in acqua utilizzando 1%wt Tween80 come tensioattivo

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Dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni per formulazioni di adesivi industriali

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni pesanti come la produzione di adesivi ad alte prestazioni, resine altamente riempite e nanocompositi. Gli ultrasuoni Hielscher sono utilizzati in tutto il mondo per la dispersione di nano-materiali in polimeri, resine, rivestimenti e altri materiali ad alte prestazioni.
Ultrasonic industrial disperser for the high-shear mixing of nanofillers in adhesive formulations.I disperditori a ultrasuoni Hielscher possono essere alimentati tramite vari flussi di alimentazione che aggiungono vari materiali in condizioni di flusso controllato nella zona di miscelazione cavitazionale. I dispersori a ultrasuoni sono affidabili ed efficienti nella lavorazione di viscosità da basse ad alte. A seconda delle materie prime e dell'obiettivo di riduzione delle dimensioni, l'intensità degli ultrasuoni può essere regolata con precisione.
Per lavorare paste polimeriche viscose, nano-materiali e alte concentrazioni di solidi, il dispersore a ultrasuoni deve essere in grado di produrre continuamente ampiezze elevate. Hielscher Ultrasonics’ I processori a ultrasuoni industriali possono fornire ampiezze molto elevate in funzionamento continuo a pieno carico. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente eseguite in funzionamento 24/7. La possibilità di far funzionare un dispersore a ultrasuoni ad ampiezze elevate e di regolare con precisione l'ampiezza è necessaria per adattare le condizioni del processo a ultrasuoni alla formulazione di adesivi ad alte prestazioni, miscele di polimeri nano-rinforzati e nanocompositi.
Oltre all'ampiezza ultrasonica, la pressione è un altro parametro di processo molto importante. A pressioni elevate, l'intensità della cavitazione ultrasonica e le sue forze di taglio sono intensificate. I reattori a ultrasuoni della Hielscher possono essere pressurizzati, ottenendo così risultati di sonicazione più intensi.
Il monitoraggio del processo e la registrazione dei dati sono importanti per la standardizzazione continua del processo e la qualità del prodotto. Sensori di pressione e temperatura collegabili al generatore di ultrasuoni per il monitoraggio e il controllo del processo di dispersione ultrasonica. Tutti i parametri di processo importanti come l'energia ultrasonica (netta + totale), la temperatura, la pressione e il tempo sono automaticamente protocollati e memorizzati su una scheda SD integrata. Accedendo ai dati di processo registrati automaticamente, è possibile rivedere le precedenti sonicazione e valutare i risultati del processo.
Un'altra caratteristica facile da usare è il controllo remoto via browser dei nostri sistemi a ultrasuoni digitali. Tramite il controllo remoto del browser è possibile avviare, fermare, regolare e monitorare il processore a ultrasuoni a distanza da qualsiasi luogo.
Contattateci ora per saperne di più sui nostri disperditori ad ultrasuoni ad alte prestazioni e sulle loro applicazioni nella produzione di adesivi e rivestimenti ad alte prestazioni!
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.



Letteratura / Referenze

Particolarità / Cose da sapere

Adesivi e colle ad alte prestazioni

Gli adesivi ad alte prestazioni, le colle e le super-colla sono utilizzati in molteplici industrie. Un importante vantaggio degli adesivi ad alte prestazioni è la loro straordinaria forza di incollaggio e la loro leggerezza. Gli adesivi ad alte prestazioni sono ampiamente utilizzati nell'edilizia, nel settore automobilistico e aerospaziale, nella produzione di attrezzature mediche, prodotti di base e calzature, tra molti altri beni.
I polimeri sono il materiale di base usato negli adesivi. I polimeri comunemente usati includono poliesteri, copoliestere, elastomeri copoliammidici, polioli e poliuretano (PU).
Per ogni industria e applicazione, sono disponibili adesivi speciali con proprietà adattate. Per esempio, i sistemi adesivi di laminazione a base d'acqua sono spesso utilizzati per l'imballaggio alimentare, mentre gli adesivi ad alte prestazioni a base di poliuretano termoplastico sono ampiamente applicati nelle calzature. Sulla base della tecnologia di formulazione, gli adesivi ad alte prestazioni possono essere suddivisi nei quattro segmenti principali: a base di solventi, a base d'acqua, a caldo e UV-curable. La dispersione ad ultrasuoni e l'emulsificazione sono utilizzate nella produzione di tutti questi tipi di adesivi ad alte prestazioni.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensione industriale.