Ultrasuoni per la dispersione e la macinazione: vernici e pigmenti

Gli ultrasuoni di potenza sono ben noti per i loro intensi effetti di macinazione e dispersione, controllabili con precisione. Questo rende gli omogeneizzatori a ultrasuoni ideali per la produzione di paste pigmentarie e formulazioni di vernici. I sonicatori industriali garantiscono una distribuzione granulometrica altamente uniforme nell’intervallo micrometrico e nanometrico. Trattate flussi di grande volume ad alta viscosità con i sonicatori Hielscher per ottenere bagnatura, dispersione, deagglomerazione e macinazione omogenee!

Produzione di vernici con gli ultrasuoni

Migliorate le vostre vernici, i vostri colori e i vostri rivestimenti con la sonicazione:

• Formulazione: Che si tratti di viscosità elevate, di elevati carichi di particelle o di formulazioni a base acquosa o di solventi – con i sonicatori industriali in linea Hielscher potete trattare qualsiasi formulazione.
• Dimensioni micrometriche e nanometriche: Le elevate forze di taglio generate dalla cavitazione acustica riducono le particelle a diametri estremamente piccoli e garantiscono una dispersione uniforme. L’adattamento dei parametri di sonicazione alle esigenze delle particelle e della formulazione consente una produzione affidabile di pigmenti di dimensioni nanometriche.
• Proprietà ottiche: Per ottenere le corrette proprietà ottiche, è necessario controllare le dimensioni delle particelle di pigmento. Generalmente, l’opacità è correlata alle dimensioni delle particelle: più fini sono le particelle, maggiore è l’opacità. Ad esempio, il TiO2 viene specificamente trattato fino a raggiungere dimensioni delle particelle comprese tra 0,20 e 0,3 micron, che equivalgono approssimativamente alla metà della lunghezza d’onda della luce. La sonicazione riduce i pigmenti di TiO2 alle loro dimensioni ottimali, consentendo di ottenere il massimo potere coprente.
• Particelle ad alte prestazioni: Dimensioni più piccole delle particelle comportano maggiore saturazione del colore, uniformità cromatica e stabilità. Le intense forze ultrasoniche, controllabili con precisione, consentono di produrre nanoparticelle modificate e funzionalizzate, come particelle rivestite, SWNTs, MWCNTs e particelle core-shell. Queste particelle presentano caratteristiche uniche e portano le formulazioni di vernici o rivestimenti a un nuovo livello di qualità e funzionalità (ad es. resistenza ai raggi UV, resistenza ai graffi, resistenza meccanica, adesività, elevata resistenza al calore, riflettività nell’infrarosso e alla radiazione solare).
• Particelle modificate: I pigmenti con superficie modificata presentano una viscosità molto bassa a elevati carichi di pigmento (2,5cP al 10% di solidi), una stabilità della sospensione superiore e un’elevata purezza. La funzionalizzazione delle particelle assistita dagli ultrasuoni semplifica la sintesi di pigmenti ad alte prestazioni con caratteristiche speciali.

Le paste pigmentarie macinate e disperse mediante cavitazione ultrasonica ed elevate forze di taglio mostrano una significativa riduzione delle dimensioni e una distribuzione uniforme. Il grafico sopra mostra una riduzione delle dimensioni sempre maggiore all’aumentare dell’energia ultrasonica.

Per la produzione di vernici, componenti quali pigmenti, leganti/ agenti filmogeni, diluenti/ solventi, resine, cariche e additivi devono essere miscelati tra loro fino a ottenere 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 un diametro ottimale delle particelle compreso tra 0,2 e 0,3 micron per mostrare il grado desiderato di bianchezza, luminosità, opacità e un indice di rifrazione molto elevato. Le forze di taglio ultrasoniche consentono una deagglomerazione e una dispersione delle particelle di TiO2 molto efficaci ed efficienti dal punto di vista energetico (vedere l’immagine sotto).

Immagini TEM di una sospensione di nanoparticelle di TiO2 disperse mediante ultrasuoni a diverse concentrazioni di solidi. La sonicazione è stata eseguita utilizzando il sonicatore UIP1000hdT
A sinistra: apporto di energia ultrasonica 1,8 × 10⁵ J/L – A destra: apporto di energia ultrasonica 5,4 × 10⁵ J/L
(Studio e immagini: ©Fasaki et al., 2012)

 
La macinazione e la dispersione a ultrasuoni migliorano la qualità della vernice aumentandone la forza colorante, la densità, la finezza di macinazione, la dispersione e le proprietà reologiche.

Condizioni di dispersione e macinazione a ultrasuoni

La qualità delle vernici e dei rivestimenti dipende dalla dispersione omogenea dei pigmenti. Hielscher Ultrasonics fornisce apparecchiature efficaci per la macinazione e la triturazione destinate alla dispersione delle vernici, in particolare per formulazioni con elevati carichi di pigmento. Il meccanismo dei dispersori a ultrasuoni per applicazioni di macinazione, triturazione, deagglomerazione e dispersione si basa principalmente sul principio del taglio generato dalla cavitazione ultrasonica. Le forze di taglio cavitazionali necessarie alla separazione delle particelle sono prodotte da elevate differenze di pressione, punti caldi locali e getti di liquido, che provocano la frammentazione delle particelle mediante collisioni tra particelle.
I dispersori industriali a ultrasuoni, come il UIP16000hdT con 16.000 watt per sonda a ultrasuoni, sono in grado di trattare flussi di grande volume di vernici e rivestimenti.

La pittura a gesso sottoposta a sonicazione sul grindometro dimostra la perfetta uniformità della deagglomerazione e della distribuzione granulometrica dei pigmenti

Dispersione di nanoparticelle

La macinazione e la dispersione a ultrasuoni sono spesso l’unico metodo per trattare efficacemente le nanoparticelle al fine di ottenere particelle primarie disperse singolarmente. Dimensioni ridotte delle particelle primarie comportano un’ampia superficie e sono correlate alla manifestazione di caratteristiche e funzionalità uniche delle particelle. Al tempo stesso, dimensioni più piccole delle particelle sono associate a un’elevata energia superficiale, con aggregazione e reattività più accentuate, per cui sono necessarie le intense forze di dispersione ultrasonica per disperdere le nanoparticelle in modo omogeneo nella formulazione.
Inoltre, un trattamento superficiale a ultrasuoni può modificare le nanoparticelle, migliorandone la disperdibilità, la stabilità della dispersione, l’idrofobicità e altre caratteristiche.
I ricercatori hanno raccomandato il metodo di dispersione a ultrasuoni delle nanoparticelle come soluzione preferenziale, “perché il materiale disperso con il metodo a ultrasuoni è molto più puro di quello prodotto mediante macinazione con mulini a sfere.” [Kim et al. 2010].

La tecnica di dispersione a ultrasuoni offre numerosi vantaggi rispetto alle tecnologie di macinazione tradizionali, come i mulini a tre rulli, a sfere o a corpi macinanti.

Scoprite di più sull’omogeneizzazione e sulla dispersione a ultrasuoni di pigmenti e coloranti per masterbatch e formulazioni di vernici!

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.