Ultrasuoni per la dispersione e la macinazione: Vernice & pigmenti
Gli ultrasuoni di potenza sono noti per i loro effetti di macinazione e dispersione intensi e controllabili con precisione. Ciò rende gli omogeneizzatori a ultrasuoni ideali per la produzione di paste di pigmento e formulazioni di vernici. Gli ultrasuoni industriali forniscono una distribuzione altamente uniforme delle dimensioni delle particelle nella gamma dei micron e dei nano. Con i sonicatori Hielscher è possibile processare flussi di grandi volumi ad alta viscosità per ottenere bagnatura, dispersione, deagglomerazione e macinazione omogenee!
Produzione di vernici con gli ultrasuoni
Migliorare le vernici, i colori e i rivestimenti con la sonicazione:
- Formulazione: Sia che si tratti di viscosità elevate, sia che si tratti di carichi di particelle elevati, a base acquosa o a base di solventi. – Con gli ultrasuoni industriali in linea Hielscher è possibile trattare qualsiasi formulazione.
- Dimensioni micrometriche e nanometriche: Le elevate forze di taglio generate dalla cavitazione acustica riducono le particelle a diametri minimi e garantiscono una dispersione uniforme. La regolazione dei parametri di ultrasuoni in base ai requisiti delle particelle e della formulazione consente una produzione affidabile di pigmenti di dimensioni nanometriche.
- Proprietà ottiche: Per ottenere le proprietà ottiche corrette, è necessario controllare le dimensioni delle particelle del pigmento. Di solito, l'opacità è correlata alla dimensione delle particelle: più fine è la dimensione delle particelle, maggiore è l'opacità. Ad esempio, il TiO2 viene lavorato in modo specifico fino a raggiungere una dimensione delle particelle compresa tra 0,20 e 0,3 micron, che equivale a circa la metà della lunghezza d'onda della luce. Gli ultrasuoni riducono i pigmenti di TiO2 alla loro dimensione ottimale, in modo da ottenere la massima coprenza.
- Particelle ad alte prestazioni: Le dimensioni ridotte delle particelle determinano una maggiore saturazione, consistenza e stabilità del colore. Le forze ultrasoniche intense, ma controllabili con precisione, consentono di produrre nano-particelle modificate e funzionalizzate, come particelle rivestite, SWNT, MWCNT e particelle core-shell. Tali particelle presentano caratteristiche uniche ed elevano le formulazioni di vernici o rivestimenti a un nuovo livello di qualità e funzionalità (ad esempio, resistenza ai raggi UV, resistenza ai graffi, forza, adesività, elevata resistenza al calore, riflettività infrarossa e solare).
- Particelle modificate: I pigmenti modificati in superficie hanno una viscosità molto bassa ad alti carichi di pigmento (2,5cP al 10% di solidi), una stabilità di sospensione superiore e un'elevata purezza. La funzionalizzazione delle particelle assistita da ultrasuoni rende semplice la sintesi di pigmenti ad alte prestazioni con caratteristiche speciali.
La lavorazione a ultrasuoni è un metodo potente per macinare e disperdere le paste di pigmento.
- formulazioni finali
- lotti master di pasta di pigmento
- raffinazione delle particelle dopo la macinazione convenzionale
Le paste di pigmento macinate e disperse mediante cavitazione a ultrasuoni e forze di taglio elevate mostrano una significativa riduzione delle dimensioni e una distribuzione uniforme. Il grafico sopra mostra l'aumento della riduzione dimensionale all'aumentare dell'energia ultrasonica.
Per la produzione di vernici, i componenti come i pigmenti, i leganti/formatori di film, i diluenti/solventi, le resine, le cariche e gli additivi devono essere miscelati in una formulazione omogenea. I pigmenti sono il componente determinante che conferisce alla vernice il suo colore. Il pigmento bianco più importante è il TiO2, che deve essere macinato fino a raggiungere una dimensione ottimale delle particelle, compresa tra 0,2 e 0,3 micron di diametro, per ottenere il grado di bianco, luminosità, opacità e un indice di rifrazione molto elevato. Le forze di taglio degli ultrasuoni consentono di deagglomerare e disperdere le particelle di TiO2 in modo molto efficace ed efficiente dal punto di vista energetico (vedi immagine sotto).
TEM della sospensione di nanoparticelle di TiO2 disperse ad ultrasuoni con diverse concentrazioni di solido. La sonicazione è stata eseguita utilizzando il Ultrasuonatore UIP1000hdT
Sinistra: energia assorbita dagli ultrasuoni 1,8 × 105 J/L – A destra: energia assorbita dagli ultrasuoni 5,4 × 105 J/L
(Studio e immagini: ©Fasaki et al., 2012)
La macinazione e la dispersione a ultrasuoni migliorano la qualità della vernice, migliorandone la forza del colore, la densità, la finezza della macinazione, la dispersione e la reologia.
Dispersione a ultrasuoni & Condizioni di macinazione
La qualità di vernici e rivestimenti si basa sulla dispersione omogenea dei pigmenti. Hielscher Ultrasonics fornisce efficaci apparecchiature di macinazione e rettifica per la dispersione delle vernici, in particolare per le formulazioni ad alto carico di pigmenti. Il meccanismo dei dispersori a ultrasuoni per applicazioni di fresatura, macinazione, deagglomerazione e dispersione si basa principalmente sul principio del taglio generato dalla cavitazione ultrasonica. Le forze di taglio cavitazionali necessarie per la dissociazione delle particelle sono prodotte da elevate differenze di pressione, punti caldi locali e getti di liquido, che portano alla rottura delle particelle per collisione interparticellare.
I dispersori industriali a ultrasuoni, come il modello UIP16000hdT con 16.000 watt per sonda a ultrasuoni, sono in grado di trattare flussi di vernici e rivestimenti in quantità elevate.
Elaborazione a ultrasuoni: 7x UIP1000hdT
La pittura di gesso sonicata sul macinometro dimostra la deagglomerazione perfettamente uniforme e la distribuzione granulometrica dei pigmenti.
Dispersione di nanoparticelle
La macinazione e la dispersione a ultrasuoni è spesso l'unico metodo per processare in modo efficiente le nano-particelle, al fine di ottenere particelle primarie disperse in modo uniforme. Una piccola dimensione delle particelle primarie si traduce in un'ampia area superficiale ed è correlata all'espressione di caratteristiche e funzionalità uniche delle particelle. Allo stesso tempo, una dimensione più piccola delle particelle è associata a un'elevata energia superficiale per un'aggregazione e una reattività più gravi, per cui sono necessarie intense forze di dispersione a ultrasuoni per disperdere le nano particelle in modo omogeneo nella formulazione.
Inoltre, un trattamento superficiale a ultrasuoni può modificare le nano particelle, migliorando la disperdibilità, la stabilità della dispersione, l'idrofobicità e altre caratteristiche.
I ricercatori hanno raccomandato il metodo di dispersione a ultrasuoni per le nano particelle come soluzione preferenziale, “perché il materiale disperso con il metodo a ultrasuoni è molto più puro di quello prodotto dalla macinazione delle perle.” [Kim et al. 2010].
Pigmenti neri UV: Prima e dopo l'ultrasuonizzazione
La tecnica di dispersione a ultrasuoni presenta molti vantaggi rispetto alle tecnologie di macinazione tradizionali, come i mulini a tre rulli, a sfere o a media.
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La SonoStation compatta combina un serbatoio agitato da 38 litri con una pompa a cavità progressiva regolabile che può alimentare fino a 3 litri al minuto in uno o due reattori a celle a flusso ultrasonico.
Letteratura / Riferimenti
- FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
- I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
- Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
- Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
- Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.
Particolarità / Cose da sapere
Gli omogeneizzatori di tessuti a ultrasuoni sono spesso indicati come sonicatore/sonificatore a sonda, lisatore sonico, disgregatore a ultrasuoni, macinatore a ultrasuoni, sono-rotturatore, sonificatore, smembratore sonico, disgregatore cellulare, dispersore a ultrasuoni, emulsionatore o dissolutore. I diversi termini derivano dalle varie applicazioni che possono essere realizzate con la sonicazione.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.