Formulazioni adesive ad alte prestazioni – Migliorato dalla dispersione a ultrasuoni

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

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

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

I sistemi epossidici, siliconici, poliuretanici e acrilici per adesivi e colle sono prodotti da formulatori che modificano la base dell'adesivo aggiungendo tackifiers, cariche minerali (talco, silice, allumina, ecc.), flessibilizzanti, riduttori di viscosità, coloranti, addensanti, acceleratori, promotori di adesione, ecc. Queste modifiche servono a diversi scopi, come migliorare le prestazioni e/o la praticità di lavorazione o ridurre i costi. I dispersori a ultrasuoni ad alto taglio sono ideali per formulare in linea diversi sistemi epossidici e consentono di produrre in modo flessibile adesivi su misura per le esigenze di particolari applicazioni.

Miscelatori a ultrasuoni ad alto coefficiente di taglio per applicazioni esigenti di dispersione ed emulsione

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

Miscelazione ad ultrasuoni ad alto taglio di nanomateriali negli adesivi

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 nanometriche sono utilizzati per produrre polimeri nanorinforzati (nanocompositi). Le nanoparticelle sono ben note per la loro capacità di alterare le proprietà meccaniche (ad esempio, rigidità, elasticità), le proprietà elettriche (ad esempio, conduttività), le proprietà funzionali (ad esempio, permeabilità, temperatura di transizione vetrosa, modulo) e le prestazioni di frattura degli adesivi polimerici termoindurenti. I nanomateriali non solo conferiscono 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 nanoparticelle e persino di rompere le particelle primarie (cioè la macinazione a ultrasuoni). 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 efficiente dal punto di vista energetico, con un minore consumo di energia rispetto ai metodi di miscelazione a taglio convenzionali, come i miscelatori a lama ad alto taglio, i miscelatori a girante o i mulini.

Kaboori et al. (2013) hanno dimostrato che gli ultrasuoni sono un metodo efficace per disperdere strutture stratificate di montmorillonite (MMT) e sviluppare adesivi PVA rinforzati con MMT. Gli ultrasuoni si sono dimostrati affidabili ed efficienti nel disperdere la nanoclay in PVA a carichi bassi (1% e 2%) e alti (4%).
Il team di ricerca ha scoperto che "la tecnica a ultrasuoni è molto efficiente nel disperdere la nanoclay soprattutto ad alti carichi, contrariamente al miscelatore ad alta velocità di taglio". La miscelazione ad alta velocità può disperdere la nanoclay nel PVA solo a bassi carichi e aumenta la forza di legame del PVA in diverse condizioni. La miscelazione ad alta velocità presenta alcuni svantaggi: possibile danneggiamento dell'emulsione di PVA (a causa della forte forza di taglio utilizzata durante la miscelazione), costo elevato ed elevato consumo energetico. Al contrario, la tecnica di ultrasuoni ha un impatto negativo minimo sull'emulsione di PVA. Inoltre, la tecnica a ultrasuoni è economica in quanto la miscelazione a 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 lavoro e dal nostro precedente e considerando i vantaggi della tecnica a ultrasuoni rispetto alla miscelazione ad alta velocità, l'aggiunta di nanoclay al PVA su scala industriale sembra fattibile e può essere raccomandata ai produttori di adesivi per legno." (Kaboori et al., 2013)

Effetti del degasaggio 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 a ultrasuoni. L'agitazione meccanica ad alta velocità (ad esempio, i miscelatori a lama ad alto taglio) produce un gran numero di bolle di gas nella miscela, che in alcuni casi possono essere notate a causa del colore acceso della miscela. La miscelazione a ultrasuoni ad alto taglio ha l'enorme vantaggio che la tecnica di sonicazione non incorpora gas nella formulazione dell'adesivo, ma 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, gli ultrasuoni favoriscono la degassificazione e la disaerazione dei liquidi e delle formulazioni adesive. (cp. Shadlou et al., 2014)

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 gravose come la produzione di adesivi ad alte prestazioni, resine altamente caricate e nanocompositi. Gli ultrasuonatori Hielscher sono utilizzati in tutto il mondo per disperdere nano-materiali in polimeri, resine, rivestimenti e altri materiali ad alte prestazioni.
I dispersori a ultrasuoni Hielscher possono essere alimentati con diversi flussi di alimentazione, aggiungendo vari materiali in condizioni di flusso controllato nella zona di miscelazione cavitazionale. I dispersori a ultrasuoni sono affidabili ed efficienti nel trattamento di viscosità da basse a elevate. A seconda delle materie prime e dell'obiettivo di riduzione dimensionale, 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 costantemente ampiezze elevate. Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate in funzionamento continuo a pieno carico. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in funzionamento 24 ore su 24 e 7 giorni su 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 degli ultrasuoni, la pressione è un altro parametro di processo molto importante. In presenza di pressioni elevate, l'intensità della cavitazione ultrasonica e delle sue forze di taglio viene intensificata. I reattori a ultrasuoni 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. I sensori di pressione e temperatura collegabili al generatore di ultrasuoni consentono di monitorare e controllare il processo di dispersione a ultrasuoni. Tutti i parametri di processo più importanti, come l'energia ultrasonica (netta + totale), la temperatura, la pressione e il tempo, vengono automaticamente protocollati e memorizzati su una scheda SD integrata. Accedendo ai dati di processo registrati automaticamente, è possibile rivedere i cicli di sonicazione precedenti e valutare i risultati del processo.
Un'altra caratteristica di facile utilizzo è il controllo remoto via browser dei nostri sistemi digitali a ultrasuoni. Tramite il controllo remoto via browser è possibile avviare, arrestare, regolare e monitorare il processore a ultrasuoni a distanza da qualsiasi luogo.
Contattateci subito per saperne di più sui nostri dispersori a 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 ultrasonori:

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