コーティング配合における超音波

顔料、フィラー、化学添加剤、架橋剤、レオロジー調整剤などのさまざまな成分が、コーティングや塗料の配合に使われます。超音波は、コーティング中のそのような成分の分散および乳化、解凝集および粉砕のための効果的な手段である。

超音波は、以下のコーティングの配合に使用されます。

• 水系におけるポリマーの乳化
• 顔料の分散と微細粉砕
• 高性能コーティングにおけるナノ材料の小型化

コーティングは、水性樹脂と溶剤ベースの樹脂とコーティングの2つの大きなカテゴリに分類されます。それぞれのタイプには独自の課題があります。VOC削減と高い溶剤価格を求める方向性は、水性樹脂コーティング技術の成長を刺激します。超音波処理の使用は、そのような環境に優しいシステムの性能を向上させることができます。

超音波によるコーティング配合の強化

超音波は、建築、工業、自動車、木材コーティングの配合者が、色の強さ、引っかき傷、亀裂、耐紫外線性、導電性などのコーティング特性を強化するのに役立ちます。これらのコーティング特性の一部は、ナノサイズの材料、例えば金属酸化物(TiO₂、シリカ、セリア、ZnO、 …).

超音波は、高粘度製品の脱泡(閉じ込められた気泡)と脱気(溶存ガス)にさらに役立ちます。 液体の超音波脱気と脱気についてもっと読む!

超音波分散技術は、実験室、ベンチトップ、工業生産レベルで使用できるため、10トン/時間を超えるスループットレートが可能です。&Dステージと商業生産中。プロセス結果は、簡単かつ直線的にスケールアップできます。

ヒールシャー超音波装置は非常にエネルギー効率が良いです。これらのデバイスは、電気入力電力の約80〜90%を液体中の機械的活動に変換します。これにより、処理コストが大幅に削減されます。

以下のリンクをたどると、高性能超音波の使用について詳しく読むことができます。

• 水系におけるポリマーの乳化,
• 顔料の分散と微細粉砕,
• そして ナノ材料の小型化.

超音波処理を使用した乳化重合

従来のコーティング配合は、基本的なポリマー化学を使用します。水性コーティング技術への変更は、原材料の選択、特性、配合方法に影響を与えます。

従来の乳化重合、例えば水性コーティングでは、粒子は中心から表面に向かって形成されます。動力学的要因は、粒子の均質性と形態に影響を与えます。

超音波処理は、ポリマーエマルジョンを生成する2つの方法で使用することができる。

• トップダウン: 乳化/分散 より大きなポリマー粒子をサイズ縮小して小さな粒子を生成する
• ボトムアップ:粒子重合前または粒子重合中の超音波使用

 

 

ミニエマルジョン中のナノ粒子状ポリマー

ミニエマルジョン中の粒子の重合は、粒子サイズを良好に制御しながら分散ポリマー粒子の製造を可能にする。K. Landfester(2001)によって提示されたように、ミニエマルジョン(ナノリアクターとしても知られる)中のナノ粒子状ポリマー粒子の合成は、高分子ナノ粒子の形成のための優れた方法である。このアプローチは、エマルジョン中の多数の小さなナノコンパートメント(分散相)をナノリアクターとして使用します。これらでは、粒子は個々の閉じ込められた液滴内で高度に平行に合成されます。彼女の論文では、Landfester(2001)は、ほぼ均一なサイズの高度に同一の粒子を生成するためのナノリアクターでの重合を高い完成度で示しています。上の画像は、ミニエマルジョン中の超音波支援多付加によって得られた粒子を示しています。

高剪断(超音波)の適用によって生成され、安定化剤(乳化剤)によって安定化された小さな液滴は、その後の重合または低温融解材料の場合の温度低下によって硬化することができる。超音波処理は、バッチおよび製造工程でほぼ均一なサイズの非常に小さな液滴を生成することができるので、それは最終的な粒子サイズを良好に制御することを可能にする。ナノ粒子の重合には、親水性モノマーを有機相に乳化し、疎水性モノマーを水に乳化させることができます。

粒子サイズを小さくすると、同時に粒子の総表面積が増加します。左の写真は、球状粒子の場合の粒子サイズと表面積の相関関係を示しています。したがって、エマルジョンを安定させるために必要な界面活性剤の量は、粒子全体の表面積にほぼ比例して増加します。界面活性剤の種類と量は、液滴のサイズに影響します。30〜200nmの液滴は、陰イオン性またはカチオン性界面活性剤を使用して得ることができます。

コーティング中の顔料

有機顔料と無機顔料は、コーティング配合の重要な成分です。顔料の性能を最大限に引き出すためには、粒子径を良好に制御する必要があります。水性、溶剤型、またはエポキシ系に顔料粉末を添加すると、個々の顔料粒子が大きな凝集体を形成する傾向があります。ローターステーターミキサーや攪拌機ビーズミルなどの高せん断機構は、従来、このような凝集体を破砕し、個々の顔料粒子を粉砕するために使用されてきました。コーティングの製造におけるこのステップのための非常に効果的な代替手段としての超音波処理。

下のグラフは、真珠光沢顔料のサイズに対する超音波処理の影響を示しています。超音波は、高速粒子間衝突によって個々の顔料粒子を粉砕します。超音波処理の顕著な利点は、キャビテーションせん断力の影響が大きいため、研削媒体(ビーズ、真珠など)の使用が不要になることです。粒子が最大1000km / hrの超高速液体ジェットによって加速されると、衝突は激しくなり、小さな破片に砕け散ります。粒子の摩耗は、超音波で粉砕された粒子に滑らかな表面を与える。全体として、超音波ミリングと分散は、微細で均一な粒子分布をもたらします。

 

超音波ミリングおよび分散は、超音波処理がすべての粒子のより一貫した処理を提供するので、しばしば高速ミキサーおよびメディアミルに優れている。一般に、超音波処理は、より小さな粒子サイズおよび狭い粒度分布(顔料ミリング曲線)を生成する。これにより、大きな粒子は通常、処理能力、光沢、抵抗、および光学的外観を妨げるため、顔料分散液の全体的な品質が向上します。

粒子の粉砕および粉砕は超音波キャビテーションの結果としての粒子間衝突に基づいているので、超音波反応器はかなり高い固体濃度(例えば、マスターバッチ)を扱うことができ、それでも良好なサイズ縮小効果を生み出すことができる。下の表は、TiO2の湿式フライス加工の写真を示しています。

下のプロットは、超音波処理によるDegussaアナターゼ型二酸化チタンの解凝集のための粒度分布曲線を示しています。超音波処理後の曲線の狭い形状は、超音波処理の典型的な特徴です。

高性能コーティングにおけるナノサイズ材料

ナノテクノロジーは、多くの産業に進出している新興技術です。ナノ材料およびナノ複合材料は、例えば耐摩耗性および耐擦傷性またはUV安定性を強化するために、コーティング配合物に使用されています。コーティングへの適用における最大の課題は、透明性、透明度、光沢の保持です。したがって、ナノ粒子は、光の可視スペクトルとの干渉を避けるために非常に小さくなければなりません。多くのアプリケーションでは、これは100nmよりも大幅に低くなっています。

高性能部品をナノメートル範囲まで湿式粉砕することは、ナノエンジニアリングコーティングの配合における重要なステップとなります。可視光線を妨害する粒子は、かすみや透明度の損失を引き起こします。したがって、非常に狭いサイズ分布が必要です。超音波処理は、固体の微細なフライス加工のための非常に効果的な手段です。液体中の超音波/音響キャビテーションは、高速の粒子間衝突を引き起こします。従来のビーズミルやペブルミルとは異なり、粒子自体が互いに粉砕するため、粉砕媒体が不要になります。

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