Come miscelare le vernici con nanocariche

La produzione di vernici richiede potenti apparecchiature di miscelazione in grado di trattare nanoparticelle e pigmenti, che devono essere dispersi uniformemente nella formulazione. Gli omogeneizzatori a ultrasuoni costituiscono una tecnica di dispersione altamente efficiente e affidabile, che garantisce una distribuzione omogenea delle nanoparticelle nei polimeri.

Produzione di vernici con miscelatori a ultrasuoni ad alte prestazioni

Una vernice è descritta come un rivestimento o film protettivo limpido, trasparente e duro, formulato con resine (ad es. acriliche, poliuretaniche, alchidiche, gommalacca), olio siccativo, un siccativo metallico e solventi volatili (ad es. nafta, acquaragia minerale o diluente). Quando la vernice si asciuga, il solvente contenuto evapora e i componenti rimanenti si ossidano o polimerizzano formando un film trasparente durevole. Le vernici sono utilizzate principalmente come rivestimenti protettivi per superfici in legno, dipinti e vari oggetti decorativi, mentre le vernici a indurimento UV vengono utilizzate nei rivestimenti per automobili, nei cosmetici, nel settore alimentare, in ambito scientifico e in altri settori.

Dispersione a ultrasuoni di nanosilice nelle vernici

Un esempio comune di dispersione a ultrasuoni è l’incorporazione di silici colloidali, che vengono solitamente aggiunte per conferire alle vernici proprietà tissotropiche.
Ad esempio, una vernice a base di polieterimmide caricata con nanosilice presenta una durata fino a trenta volte superiore a quella di una vernice standard. La nanosilice migliora le proprietà della vernice, come la conducibilità elettrica, la rigidità dielettrica in corrente continua e alternata e la forza di adesione. I dispersori a ultrasuoni sono pertanto ampiamente utilizzati per la produzione di rivestimenti elettricamente conduttivi.
Altri minerali silicatici, quali wollastonite, talco, mica, caolino, feldspato e sienite nefelinica, sono cariche economiche e ampiamente utilizzate come cosiddetti pigmenti estensori, aggiunti per modificare la reologia (viscosità), la stabilità alla sedimentazione e la resistenza del film nei rivestimenti.

Superiorità dei sonicatori nella dispersione di nanocariche dimostrata dalla ricerca

Monteiro et al. (2014) hanno confrontato le comuni tecnologie di dispersione – ovvero miscelatore rotore-statore, girante Cowles e dispersore a ultrasuoni a sonda – in termini di efficienza nella dispersione del biossido di titanio (TiO2, anatasio). La sonicazione si è rivelata la tecnica più efficiente per disperdere le nanoparticelle in acqua utilizzando il polielettrolita convenzionale Na-PAA e ha superato nettamente la miscelazione con un rotore-statore o una girante Cowles.
Dettagli dello studio: sono state confrontate diverse tecniche di dispersione per individuare quella più efficace nella creazione di una sospensione acquosa di nano-TiO2 ben deagglomerata. Il sale sodico dell’acido poliacrilico (Na-PAA), convenzionalmente utilizzato nell’industria per le dispersioni acquose di TiO2, è stato impiegato come disperdente di riferimento. La Fig. 1 mostra le distribuzioni granulometriche in volume (PSD) ottenute utilizzando un dispersore Cowles (30 min a 2000 rpm), un miscelatore rotore-statore (30 min a 14.000 rpm) e la sonicazione a sonda (Hielscher UIP1000hdT, 2 min al 50% di ampiezza). “Utilizzando il dispersore Cowles, le dimensioni delle particelle rientravano in tre diversi intervalli: 40–100 nm, 350–1000 nm e 1200–4000 nm. Gli agglomerati più grandi dominano chiaramente la distribuzione, dimostrando che questa tecnica è inefficiente. Anche il rotore-statore ha fornito risultati insoddisfacenti, indipendentemente dal fatto che le nanoparticelle fossero aggiunte tutte insieme o gradualmente durante la miscelazione. La principale differenza osservata nel risultato di Cowles riguarda lo spostamento del picco centrale verso dimensioni delle particelle maggiori, con una parziale fusione con il picco più a destra. D’altra parte, l’uso degli ultrasuoni ha prodotto un risultato molto migliore, con un picco stretto centrato a 0,1 nm e due picchi molto più piccoli negli intervalli 150–280 nm e 380–800 nm.”

Distribuzioni granulometriche di dispersioni acquose di nano-TiO2 (10mgmL−1, pH = 9) preparate utilizzando diverse tecniche di dispersione. La sonicazione produce le nanoparticelle di TiO2 più piccole e le curve di riduzione delle dimensioni delle particelle più strette. Quando è stato utilizzato il disperdente (Na-PAA), il rapporto rispetto al nano-TiO2 era 1:1.
(studio e grafico: © Monteiro et al., 2014)

TiO2 essiccato a spruzzo prima e dopo la macinazione a ultrasuoni

Questo risultato concorda con il lavoro di Sato et al. (2008), che riporta risultati migliori con la sonicazione rispetto ad altre tecniche per disperdere particelle nanometriche di TiO2 in acqua. Le onde d’urto create dalla cavitazione acustica / ultrasonica provocano collisioni estremamente intense tra le particelle e una macinazione e deagglomerazione efficienti delle particelle in frammenti uniformi di scala nanometrica.
(cfr. Monteiro et al., 2014)

Omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di vernici

Quando nanoparticelle e nanocariche vengono utilizzate nei processi di produzione industriale, come la produzione di vernici e rivestimenti, la polvere secca deve essere miscelata omogeneamente in una fase liquida. La dispersione delle nanoparticelle richiede una tecnica di miscelazione affidabile ed efficace, che applichi energia sufficiente a rompere gli agglomerati per sfruttare appieno le proprietà delle particelle di scala nanometrica. I sonicatori sono ben noti come dispersori potenti e affidabili e vengono quindi utilizzati per deagglomerare e distribuire omogeneamente vari materiali, quali silice, nanotubi, grafene, minerali e molti altri, in una fase liquida come resine, resine epossidiche e masterbatch di pigmenti. Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni per ogni tipo di applicazione di omogeneizzazione e deagglomerazione.
Per la produzione di nanodispersioni, un controllo preciso della sonicazione e un trattamento a ultrasuoni affidabile della sospensione di nanoparticelle sono essenziali per ottenere prodotti ad alte prestazioni. I processori di Hielscher Ultrasonics offrono il pieno controllo di tutti i parametri di processo importanti, quali apporto energetico, intensità ultrasonica, ampiezza, pressione, temperatura e tempo di permanenza. È quindi possibile regolare i parametri su condizioni ottimizzate, ottenendo così nanodispersioni di alta qualità, come sospensioni di nanosilice o nano-TiO2.

Per qualsiasi volume / capacità: Hielscher offre sonicatori e un’ampia gamma di accessori. Ciò consente di configurare il sistema a ultrasuoni ideale per la vostra applicazione e capacità produttiva. Dalle piccole fiale contenenti pochi millilitri ai flussi di grande volume di migliaia di galloni all’ora, Hielscher offre la soluzione a ultrasuoni adatta al vostro processo.
Viscosità elevate: I sistemi a ultrasuoni in linea trattano facilmente formulazioni pastose, ad es. masterbatch di pigmenti, nei quali un pigmento ad alta concentrazione di particelle viene miscelato uniformemente in una miscela di plastificante, monomero e polimero.
Robustezza: I nostri sistemi a ultrasuoni sono robusti e affidabili. Tutti i sonicatori Hielscher sono costruiti per il funzionamento 24/7/365 e richiedono pochissima manutenzione.
Facilità d’uso: Il software avanzato dei nostri dispositivi a ultrasuoni consente di preselezionare e salvare le impostazioni di sonicazione per una sonicazione semplice e affidabile. Il menu intuitivo è facilmente accessibile tramite un display digitale a colori con schermo tattile. Il controllo remoto tramite browser consente di utilizzare e monitorare il dispositivo attraverso qualsiasi browser Internet. La registrazione automatica dei dati salva i parametri di processo di ogni ciclo di sonicazione su una scheda SD integrata.
Eccellente efficienza energetica: Rispetto alle tecnologie di dispersione alternative, i sonicatori Hielscher si distinguono per l’eccezionale efficienza energetica e i risultati superiori nella distribuzione granulometrica.
Alta qualità e robustezza: I sonicatori Hielscher sono riconosciuti per la loro qualità, affidabilità e robustezza. Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni dotati di tecnologia all’avanguardia e caratterizzati dalla facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi CE e soddisfano i requisiti di UL, CSA e RoHs.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: