コーティング処方における超音波

顔料、フィラー、化学添加剤、架橋剤、レオロジー調整剤など、さまざまな成分がコーティング剤や塗料に配合されます。超音波は、コーティング剤に含まれるこのような成分の分散や乳化、脱凝集、粉砕に効果的な手段です。

超音波は、コーティング剤の調合に使用される：

• 水系におけるポリマーの乳化
• 顔料の分散と微粉砕
• 高性能コーティングにおけるナノ材料のサイズ縮小

コーティング剤は、水性樹脂と溶剤系樹脂の2種類に大別される。それぞれのタイプにはそれぞれの課題がある。VOC削減を求める方向性と溶剤価格の高騰が、水性樹脂コーティング技術の成長を促している。超音波の使用は、このような環境に優しいシステムの性能を高めることができる。

超音波処理によるコーティング製剤の向上

超音波は、建築用、工業用、自動車用、木材用塗料の調合者が、色強度、耐スクラッチ性、耐クラック性、耐紫外線性、導電性などの塗膜特性を向上させるのに役立つ。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、 …).

超音波はさらに、高粘度製品の脱泡（巻き込まれた泡）や脱気（溶存ガス）にも役立つ。 液体の超音波脱気・脱泡についてもっと読む！

超音波分散技術は、ラボ、ベンチトップ、工業生産レベルで使用することができ、毎時10トン以上の処理速度を可能にするため、R.&D段階でも商業生産でも。プロセス結果は、容易に、直線的にスケールアップできる。

Hielscher社の超音波装置は非常にエネルギー効率が高い。入力電力の約80～90％を液中の機械的活動に変換します。これは処理コストの大幅な削減につながります。

以下のリンクから、高性能超音波の使用に関する詳細をご覧いただけます。

• 水系におけるポリマーの乳化,
• 顔料の分散と微粉砕,
• そして ナノ材料のサイズ縮小.

超音波による乳化重合

従来のコーティング製剤は、基本的なポリマー化学を使用している。水性コーティング技術への変化は、原材料の選択、特性、配合方法に影響を与える。

従来の乳化重合、例えば水性塗料では、粒子は中心から表面に向かって作られる。速度論的要因は粒子の均一性と形態に影響する。

超音波処理には、ポリマーエマルションを生成する2つの方法がある。

• 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ダウンして、より小さな粒子を生成する。
• ボトムアップ:粒子重合前または重合中の超音波の使用

 

 

ミニエマルション中のナノ粒子ポリマー

ミニエマルション中での粒子の重合は、粒子径を良好に制御した分散ポリマー粒子の製造を可能にする。K. Landfester (2001)によって発表された、ミニエマルション（ナノリアクターとしても知られる）中でのナノ粒子ポリマー粒子の合成は、ポリマーナノ粒子形成のための優れた方法である。この方法では、エマルション中の多数の小さなナノ区画（分散相）をナノリアクターとして使用する。この方法では、粒子は個々の閉じ込められた液滴の中で高度に並列的に合成される。Landfester (2001)の論文では、ほぼ均一なサイズの高度に同一な粒子を生成するための、ナノリアクターにおける高完成度の重合が紹介されている。上の画像は、ミニエマルション中で超音波アシスト重合によって得られた粒子である。

高い剪断力（超音波処理）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、その後の重合によって、あるいは低温溶融材料の場合には温度を下げることによって硬化させることができる。超音波処理では、バッチ処理でも製造工程でも、ほぼ均一な大きさの非常に小さな液滴を作ることができるため、最終的な粒子径をうまく制御することができる。ナノ粒子の重合には、親水性モノマーは有機相に、疎水性モノマーは水中に乳化させることができる。

粒子径を小さくすると、同時に粒子の総表面積も大きくなる。左の図は、球状粒子の場合の粒子径と表面積の相関関係を示している。したがって、エマルジョンを安定化させるために必要な界面活性剤の量は、粒子の総表面積に比例してほぼ直線的に増加します。界面活性剤の種類と量は液滴サイズに影響する。陰イオン界面活性剤または陽イオン界面活性剤を使用すると、30～200nmの液滴を得ることができる。

コーティングにおける顔料

有機および無機顔料は、コーティング製剤の重要な成分である。顔料の性能を最大限に引き出すためには、粒子径をうまくコントロールする必要があります。顔料パウダーを水性、溶剤性またはエポキシ系に添加する場合、個々の顔料粒子は大きな凝集体を形成する傾向がある。このような凝集体を破壊し、個々の顔料粒子を粉砕するために、従来はローター・ステーター・ミキサーやアジテーター・ビーズミルのような高剪断機構が使用されてきました。超音波処理は、コーティング製造におけるこのステップの非常に効果的な代替手段である。

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。超音波は高速の粒子間衝突によって個々の顔料粒子を粉砕する。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、粉砕媒体（ビーズや真珠など）の使用が不要になることです。毎時1000kmの超高速液体ジェットによって粒子が加速されると、粒子は激しく衝突し、細かく砕け散ります。粒子の磨耗により、超音波粉砕された粒子の表面は滑らかになる。全体として、超音波粉砕と分散は、微細で均一な粒子分布をもたらします。

 

超音波ミリングと分散は、超音波処理によってすべての粒子がより一貫して処理されるため、高速ミキサーやメディアミルよりも優れていることがよくあります。一般的に、超音波処理では粒子径が小さくなり、狭い粒度分布（顔料ミリングカーブ）が得られます。一般的に粒子が大きいと、処理能力、光沢、耐性、光学的外観に支障をきたすため、これにより顔料分散液の全体的な品質が向上します。

粒子のミリングと粉砕は、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ため、超音波リアクターはかなり高い固形分濃度（マスターバッチなど）を扱うことができ、なおかつ良好な粒径縮小効果を得ることができる。下の表はTiO2の湿式粉砕の写真である。

下のプロットは、超音波処理によるDegussaアナターゼ型酸化チタンの脱凝集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ある。

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、多くの産業界に浸透しつつある新興技術である。ナノマテリアルやナノコンポジットは、耐摩耗性や耐傷性、UV安定性を向上させるなどの目的で、コーティング剤に使用されている。コーティングへの応用における最大の課題は、透明性、透明度、光沢の保持である。そのため、ナノ粒子は可視光の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らない。多くの用途では、これは実質的に100nm以下である。

ナノメートル領域までの高性能成分の湿式粉砕は、ナノエンジニアリング・コーティングの処方において極めて重要なステップとなる。可視光線に干渉する粒子は、ヘイズや透明性の低下を引き起こす。そのため、非常に狭い粒度分布が要求されます。超音波処理は、固体の微粉砕に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。

のような企業がある。 パナドゥール（ドイツ） 金型内コーティングにおけるナノ材料の分散・脱凝集には、Hielscher社の超音波発生装置を使用しています。 インモールドコーティングの超音波分散についての詳細はこちらをご覧ください！

危険な環境での可燃性液体や溶剤の超音波処理には、ATEX認証のプロセッサーをご利用いただけます。 アテックス認定超音波発生装置UIP1000-Exdの詳細はこちら！