Formulazioni adesive ad alte prestazioni – Migliorate mediante dispersione a ultrasuoni

Gli adesivi ad alte prestazioni sono costituiti da sistemi epossidici, siliconici, poliuretanici, a base di polisolfuri o acrilici contenenti vari (nano)riempitivi e additivi, che conferiscono all’adesivo prestazioni particolari quali resistenza dell’incollaggio, leggerezza, durabilità, resistenza al calore e sostenibilità. Per formulare adesivi ad alte prestazioni è necessaria una miscelazione efficiente e affidabile. La dispersione e l’emulsificazione a ultrasuoni vengono utilizzate per combinare uniformemente i vari componenti in miscele adesive omogenee. La sonicazione in linea miscela in modo affidabile ed efficace anche materiali ad alta viscosità e formulazioni con elevati carichi di nanoriempitivi, producendo adesivi di qualità superiore.

Elevate forze di taglio generate dagli ultrasuoni per la dispersione di adesivi ad alte prestazioni

Gli adesivi ad alte prestazioni offrono una straordinaria resistenza dell’incollaggio, durabilità e leggerezza. A seconda dell’applicazione finale, polimeri, copolimeri e numerosi additivi vengono formulati secondo ricette elaborate.

I sistemi epossidici, siliconici, poliuretanici e acrilici per adesivi e colle vengono prodotti da formulatori che modificano la base adesiva aggiungendo agenti adesivanti, riempitivi minerali (talco, silice, allumina, ecc.), flessibilizzanti, riduttori di viscosità, coloranti, addensanti, acceleranti, promotori di adesione, ecc. Queste modifiche hanno diversi scopi, come migliorare le prestazioni e/o agevolare la lavorazione oppure ridurre i costi. I dispersori a ultrasuoni ad alto taglio sono ideali per formulare diversi sistemi epossidici in linea e consentono la produzione flessibile di adesivi adattati ai requisiti di applicazioni specifiche.

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

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 emulsificazione, dispersione, macinazione, deagglomerazione e omogeneizzazione, sia in batch sia in linea. Con i dispersori a ultrasuoni in linea è possibile trattare facilmente materiali con concentrazioni di solidi e viscosità da basse a elevate.

Miscelazione a ultrasuoni ad alto taglio di nanomateriali negli adesivi

Nanomateriali quali nanotubi di carbonio (CNTs), nanoparticelle metalliche, nanosilice, nanoargille, nanofibre e molte altre particelle di dimensioni nanometriche vengono utilizzati per produrre polimeri nanorinforzati (nanocompositi). Le nanoparticelle sono ben note per la loro capacità di modificare le proprietà meccaniche (ad esempio rigidità ed elasticità), le proprietà elettriche (ad esempio conduttività), le proprietà funzionali (ad esempio permeabilità, temperatura di transizione vetrosa e modulo) e il comportamento a frattura degli adesivi polimerici termoindurenti. I nanomateriali non solo conferiscono particolari proprietà ad alte prestazioni, quali resistenza dell’incollaggio, durabilità, conduciveness, elasticità o resistenza al calore; l’aggiunta di particelle nanostrutturate può anche migliorare le proprietà barriera dei polimeri.
Le elevate forze di taglio della cavitazione acustica generata dagli ultrasuoni sono ben note per la loro capacità di deagglomerare e disperdere nanoparticelle e persino di frammentare le particelle primarie (ossia mediante 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, che presenta un consumo energetico inferiore rispetto ai metodi convenzionali di miscelazione per taglio, come i miscelatori a lame ad alto taglio, i miscelatori a girante o i mulini.

Il video mostra la miscelazione e la dispersione a ultrasuoni della grafite in 250mL di resina epossidica (Toolcraft L), utilizzando un omogeneizzatore a ultrasuoni (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature per disperdere grafite, grafene, nanotubi di carbonio, nanofili o cariche in laboratorio o nei processi di produzione su larga scala. Le applicazioni tipiche comprendono la dispersione di nanomateriali e micromateriali durante il processo di funzionalizzazione o la loro dispersione in resine o polimeri.

Kaboori et al. (2013) hanno dimostrato che la sonicazione è un metodo efficace per disperdere le strutture lamellari della montmorillonite (MMT) e sviluppare adesivi a base di PVA rinforzati con MMT. La sonicazione si è dimostrata affidabile ed efficiente nella dispersione di nanoargilla nel PVA sia a bassi (1% e 2%) sia ad alti (4%) carichi.
Il gruppo di ricerca ha rilevato che la “tecnica a ultrasuoni è molto efficiente nella dispersione di nanoargilla, soprattutto a carichi elevati, a differenza del miscelatore ad alta velocità e ad alto taglio. La miscelazione ad alta velocità riusciva a disperdere la nanoargilla nel PVA soltanto a bassi carichi e aumentava la resistenza dell’incollaggio del PVA in diverse condizioni. La miscelazione ad alta velocità presenta alcuni svantaggi: possibili danni all’emulsione di PVA (a causa dell’elevata forza di taglio utilizzata durante la miscelazione), costi elevati e un elevato consumo energetico. Al contrario, la tecnica di sonicazione ha un impatto negativo minimo sull’emulsione di PVA. Inoltre, la tecnica di sonicazione è economica, poiché la miscelazione a ultrasuoni potrebbe avvenire prima della produzione del PVA e la soluzione contenente nanoargilla può essere aggiunta al PVA durante il processo produttivo. Considerando i risultati ottenuti in questo articolo e nel nostro lavoro precedente, nonché i vantaggi della tecnica di sonicazione rispetto alla miscelazione ad alta velocità, l’aggiunta di nanoargilla 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 significativamente i risultati della formulazione, è l’effetto di degasaggio del trattamento a ultrasuoni. L’agitazione meccanica ad alta velocità (ad esempio mediante miscelatori a lame ad alto taglio) produce un gran numero di bolle di gas nella miscela, che in alcuni casi possono essere rilevate anche grazie al colore più chiaro della miscela. La miscelazione a ultrasuoni ad alto taglio presenta il grande vantaggio che la tecnica di sonicazione non incorpora gas nella formulazione adesiva; le onde ultrasoniche inducono invece le bolle di gas già presenti a coalescere e a risalire alla superficie del liquido, da dove il gas può essere facilmente rimosso. La sonicazione favorisce quindi il degasaggio e la deaerazione dei liquidi e delle formulazioni adesive. (cfr. Shadlou et al., 2014)

Dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni per formulazioni adesive 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 ad alto contenuto di riempitivi e nanocompositi. I sonicatori Hielscher vengono utilizzati in tutto il mondo per disperdere nanomateriali in polimeri, resine, rivestimenti e altri materiali ad alte prestazioni.
I dispersori a ultrasuoni Hielscher possono essere alimentati mediante diversi flussi di alimentazione, introducendo vari materiali nella zona di miscelazione cavitazionale in condizioni di flusso controllate. I dispersori a ultrasuoni sono affidabili ed efficienti nel trattamento di materiali con viscosità da basse a elevate. L’intensità ultrasonica può essere regolata con precisione in base alle materie prime e all’obiettivo di riduzione delle dimensioni.
Per trattare paste polimeriche viscose, nanomateriali e materiali con elevate concentrazioni di solidi, il dispersore a ultrasuoni deve essere in grado di generare continuamente ampiezze elevate. I processori a ultrasuoni industriali di Hielscher Ultrasonics possono fornire ampiezze molto elevate durante il funzionamento continuo a pieno carico. È possibile mantenere facilmente ampiezze fino a 200µm nel funzionamento 24/7. La possibilità di utilizzare un dispersore a ultrasuoni ad ampiezze elevate e di regolare l’ampiezza con precisione è necessaria per adattare le condizioni del processo a ultrasuoni alla formulazione di adesivi ad alte prestazioni, miscele polimeriche nanorinforzate 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 delle relative forze di taglio aumenta. 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. Sensori di pressione e temperatura collegabili vengono connessi al generatore a ultrasuoni per monitorare e controllare il processo di dispersione a ultrasuoni. Tutti i parametri di trattamento importanti, quali energia ultrasonica (netta + totale), temperatura, pressione e tempo, vengono registrati automaticamente e memorizzati su una scheda SD integrata. Accedendo ai dati di processo registrati automaticamente, è possibile riesaminare i precedenti cicli di sonicazione e valutare i risultati del processo.
Un’altra funzionalità di facile utilizzo è il controllo remoto tramite browser dei nostri sistemi a ultrasuoni digitali. Grazie al controllo remoto tramite browser, è possibile avviare, arrestare, regolare e monitorare il processore a ultrasuoni a distanza, da qualsiasi luogo.
Contattateci ora 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 trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

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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.