ულტრაბგერა საფარების ფორმულირებაში
საფარებისა და საღებავების ფორმულაციებში შედის სხვადასხვა კომპონენტი, როგორიცაა პიგმენტები, შემავსებლები, ქიმიური დანამატები, ჯვარედინი ბმების წარმომქმნელი აგენტები და რეოლოგიური მოდიფიკატორები. ულტრაბგერა ეფექტური საშუალებაა საფარებში ასეთი კომპონენტების დისპერგირების, ემულგირების, დეაგლომერაციისა და დაფქვისთვის.
ულტრაბგერა გამოიყენება საღებავების ფორმულირებაში შემდეგი მიზნებისთვის:
- პოლიმერების ემულსიფიკაცია წყლიან სისტემებში
- პიგმენტების დისპერგირება და წვრილი დაფქვა
- ნანომასალების ზომის შემცირება მაღალეფექტურ საღებავებში
ფისები და საფარები ორ ფართო კატეგორიად იყოფა: წყალზე დაფუძნებული და გამხსნელზე დაფუძნებული. თითოეულ ტიპს თავისი გამოწვევები აქვს. VOC-ის შემცირების მოთხოვნები და გამხსნელების მაღალი ფასები ხელს უწყობს წყალზე დაფუძნებული ფისოვანი საფარების ტექნოლოგიების განვითარებას. ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებას შეუძლია გააუმჯობესოს ასეთი ეკოლოგიურად სუფთა სისტემების ეფექტურობა.
გაუმჯობესებული საღებავების ფორმულირება ულტრაბგერითი დამუშავების გამო
ულტრაბგერას შეუძლია დაეხმაროს არქიტექტურული, სამრეწველო, საავტომობილო და ხის საფარების შემმუშავებლებს საფარის ისეთი მახასიათებლების გაუმჯობესებაში, როგორიცაა ფერის ინტენსივობა, ნაკაწრების, ბზარებისა და UV სხივების მიმართ მდგრადობა ან ელექტროგამტარობა. საფარის ზოგიერთი მახასიათებელი მიიღწევა ნანოზომის მასალების დამატებით, მაგალითად, ლითონის ოქსიდების (TiO2, სილიცა, ცერია, ZnO, …).
ულტრაბგერითი სისტემა 2x 1000 ვატიანი ულტრაბგერითი დისპერგატორებით, აირით გამორეცხვის შესაძლებლობის მქონე კარადაში.
რადგან ულტრაბგერითი დისპერგირების ტექნოლოგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლაბორატორიულ, სამაგიდო და სამრეწველო წარმოების დონეზე და უზრუნველყოფს 10 ტონა/სთ-ზე მეტ წარმადობას, ის გამოიყენება როგორც R&D ეტაპზე, ისე კომერციულ წარმოებაში. პროცესის მასშტაბის გაზრდა მიღებული შედეგების შენარჩუნებით მარტივად და წრფივად არის შესაძლებელი.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი მოწყობილობები ძალიან ენერგოეფექტურია. მოწყობილობები გარდაქმნიან ელექტრო ენერგიის მიახლოებით 80-დან 90%-ს სითხეში მექანიკურ აქტივობად. ეს მნიშვნელოვნად ამცირებს დამუშავების ღირებულებას.
ქვემოთ მოცემული ბმულების მიხედვით, შეგიძლიათ გაიგოთ მეტი მაღალეფექტური ულტრაბგერის გამოყენების შესახებ
- პოლიმერების ემულსიფიკაცია წყლიან სისტემებში,
- პიგმენტების დისპერგირება და წვრილი დაფქვა,
- და ნანომასალების ზომის შემცირება.
ემულსიური პოლიმერიზაცია ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით
საფარების ტრადიციული ფორმულაციები პოლიმერების ქიმიის ძირითად პრინციპებს ეფუძნება. წყალზე დაფუძნებული საფარების ტექნოლოგიაზე გადასვლა გავლენას ახდენს ნედლეულის შერჩევაზე, თვისებებსა და ფორმულირების მეთოდოლოგიებზე.
ტრადიციული ემულსიური პოლიმერიზაციისას, მაგალითად, წყალზე დაფუძნებული საფარების შემთხვევაში, ნაწილაკები ცენტრიდან ზედაპირისკენ წარმოიქმნება. კინეტიკური ფაქტორები გავლენას ახდენს ნაწილაკების ერთგვაროვნებასა და მორფოლოგიაზე.
ულტრაბგერითი დამუშავება შეიძლება გამოყენებულ იქნას ორი გზით პოლიმერული ემულსიების წარმოქმნისთვის.
- ზემოდან ქვემოთ: ემულსიფიკაცია/დისპერგირება უფრო დიდი პოლიმერული ნაწილაკების, რათა მიღებულ იქნას უფრო მცირე ნაწილაკები ზომის შემცირების გზით
- ქვემოდან ზემოთ: ულტრაბგერის გამოყენება ნაწილაკების პოლიმერიზაციამდე ან მის დროს
ნანონაწილაკოვანი პოლიმერები მინიემულსიებში
მინიემულსიებში ნაწილაკების პოლიმერიზაცია საშუალებას იძლევა, მიღებულ იქნას დისპერგირებული პოლიმერული ნაწილაკები მათი ზომის კარგი კონტროლით. პოლიმერული ნანონაწილაკების სინთეზი მინიემულსიებში (რომლებიც ნანორეაქტორების სახელითაც არის ცნობილი), როგორც ამას K. Landfester (2001) აღწერს, პოლიმერული ნანონაწილაკების წარმოქმნის შესანიშნავი მეთოდია. ეს მიდგომა ნანორეაქტორებად იყენებს ემულსიაში არსებულ მრავალ მცირე ნანომოცულობას (დისპერსიულ ფაზას). მათში ნაწილაკების სინთეზი მრავალი პარალელური პროცესის სახით მიმდინარეობს ცალკეულ, შემოსაზღვრულ წვეთებში. თავის სტატიაში Landfester (2001) აღწერს ნანორეაქტორებში პოლიმერიზაციის მაღალ სრულყოფილებას, რაც თითქმის ერთნაირი ზომის, ერთმანეთის მეტად მსგავსი ნაწილაკების მიღებას უზრუნველყოფს. ზემოთ მოცემულ სურათზე ნაჩვენებია მინიემულსიებში ულტრაბგერით ხელშეწყობილი პოლიადიციით მიღებული ნაწილაკები.
მცირე წვეთები, რომლებიც ძლიერი ძვრის (ულტრაბგერითი დამუშავების) შედეგად წარმოიქმნება და სტაბილიზატორებით (ემულგატორებით) სტაბილიზდება, შეიძლება გამყარდეს შემდგომი პოლიმერიზაციით ან, დაბალი დნობის ტემპერატურის მქონე მასალების შემთხვევაში, ტემპერატურის შემცირებით. ვინაიდან ულტრაბგერით დამუშავებას შეუძლია როგორც პერიოდულ, ისე საწარმოო პროცესში წარმოქმნას ძალიან მცირე, თითქმის ერთნაირი ზომის წვეთები, ის საბოლოო ნაწილაკების ზომის კარგი კონტროლის საშუალებას იძლევა. ნანონაწილაკების პოლიმერიზაციისთვის ჰიდროფილური მონომერები შეიძლება ემულგირდეს ორგანულ ფაზაში, ხოლო ჰიდროფობური მონომერები – წყალში.
როდესაც ნაწილაკების ზომა მცირდება, ნაწილაკების ჯამური ზედაპირის ფართობი იზრდება იმავე დროს. მარცხნივ მოცემული სურათი აჩვენებს კორელაციას ნაწილაკების ზომასა და ზედაპირის ფართობს შორის სფერული ნაწილაკების შემთხვევაში. შესაბამისად, ემულსიის სტაბილიზაციისთვის საჭირო სურფაქტანტის რაოდენობა თითქმის წრფივად იზრდება ნაწილაკების ჯამურ ზედაპირის ფართობთან ერთად. სურფაქტანტის ტიპი და რაოდენობა გავლენას ახდენს წვეთის ზომაზე. 30-დან 200nm-მდე წვეთები შეიძლება მიღებულ იქნას ანიონური ან კატიონური სურფაქტანტების გამოყენებით.
პიგმენტები საღებავებში
ორგანული და არაორგანული პიგმენტები საფარების ფორმულაციების მნიშვნელოვანი კომპონენტია. პიგმენტის ეფექტურობის მაქსიმალურად გასაზრდელად საჭიროა ნაწილაკების ზომის კარგი კონტროლი. როდესაც პიგმენტის ფხვნილი ემატება წყალზე დაფუძნებულ, გამხსნელზე დაფუძნებულ ან ეპოქსიდურ სისტემებს, პიგმენტის ცალკეული ნაწილაკები დიდი აგლომერატების წარმოქმნისკენ არის მიდრეკილი. ასეთი აგლომერატების დასაშლელად და პიგმენტის ცალკეული ნაწილაკების დასაფქვავად ტრადიციულად გამოიყენება ძლიერი ძვრის შემქმნელი მექანიზმები, როგორიცაა როტორ-სტატორული შემრევები ან ამრევით აღჭურვილი ბურთულებიანი წისქვილები. ულტრაბგერითი დამუშავება საფარების წარმოების ამ ეტაპზე უკიდურესად ეფექტური ალტერნატივაა.
ქვემოთ მოცემული გრაფიკები აჩვენებს ულტრაბგერითი დამუშავების გავლენას მარგალიტისებრი ბზინვარების პიგმენტის ნაწილაკების ზომაზე. ულტრაბგერა პიგმენტის ცალკეულ ნაწილაკებს მათ შორის მაღალსიჩქარიანი შეჯახებების საშუალებით ფქვავს. ულტრაბგერითი დამუშავების მთავარი უპირატესობაა კავიტაციული ძვრის ძალების ძლიერი ზემოქმედება, რაც საფქვავი სხეულების (მაგალითად, ბურთულების) გამოყენებას არასაჭიროს ხდის. სითხის უკიდურესად სწრაფი ჭავლები ნაწილაკებს 1000km/სთ-მდე აჩქარებს, რის შედეგადაც ისინი ძლიერად ეჯახებიან ერთმანეთს და მცირე ნაწილებად იშლება. ნაწილაკების ცვეთა ულტრაბგერით დაფქულ ნაწილაკებს გლუვ ზედაპირს აძლევს. მთლიანობაში, ულტრაბგერითი დაფქვა და დისპერგირება უზრუნველყოფს მცირე ზომის ნაწილაკებსა და მათ ერთგვაროვან განაწილებას.
მარგალიტის ბზინვარების პიგმენტების ულტრაბგერითი დაფქვა და დისპერსია. წითელი გრაფიკი აჩვენებს ნაწილაკების ზომის განაწილებას ულტრაბგერითი დამუშავების წინ, მწვანე მრუდი არის ულტრაბგერითი დამუშავების დროს, ლურჯი მრუდი აჩვენებს საბოლოო პიგმენტებს ულტრაბგერითი დისპერსიის შემდეგ.
ულტრაბგერითი დაფქვა და დისპერგირება ხშირად სჯობნის მაღალსიჩქარიან შემრევებსა და საფქვავი სხეულების გამოყენებით მომუშავე წისქვილებს, რადგან ულტრაბგერითი დამუშავება ყველა ნაწილაკის უფრო თანაბარ დამუშავებას უზრუნველყოფს. ზოგადად, ულტრაბგერითი დამუშავება იძლევა უფრო მცირე ზომის ნაწილაკებსა და ნაწილაკების ზომების ვიწრო განაწილებას (პიგმენტის დაფქვის მრუდები). ეს აუმჯობესებს პიგმენტების დისპერსიების საერთო ხარისხს, რადგან უფრო დიდი ნაწილაკები, როგორც წესი, უარყოფითად მოქმედებს დამუშავების შესაძლებლობაზე, ბზინვარებაზე, მდგრადობასა და ოპტიკურ იერსახეზე.
რადგან ნაწილაკების დაფქვა და დაქუცმაცება ულტრაბგერითი კავიტაციით გამოწვეულ ნაწილაკთაშორის შეჯახებას ეფუძნება, ულტრაბგერით რეაქტორებს შეუძლია მყარი ნივთიერების საკმაოდ მაღალი კონცენტრაციის მქონე ნარევების (მაგალითად, სუპერკონცენტრატების) დამუშავება და ამავდროულად ნაწილაკების ზომის ეფექტურად შემცირება. ქვემოთ მოცემულ ცხრილში ნაჩვენებია TiO2-ის სველი დაფქვის სურათები.
ბურთულებიან წისქვილში დაფქული TiO2 ულტრაბგერით დაფქვამდე და მის შემდეგ
გაფრქვევით გამშრალი TiO2 ულტრაბგერით დაფქვამდე და მის შემდეგ
ქვემოთ მოცემული გრაფიკი აჩვენებს ნაწილაკების ზომის განაწილების მრუდებს Degussa ანატაზის ტიტანის დიოქსიდის დეაგლომერაციისთვის ულტრაბგერითი დამუშავებით. მრუდის ვიწრო ფორმა ულტრაბგერითი დამუშავების შემდეგ არის ულტრაბგერითი დამუშავების ტიპური მახასიათებელი.
ულტრაბგერითად დისპერგირებული TiO2 (Degussa ანატაზი) აჩვენებს ნაწილაკების ზომის ვიწრო განაწილებას.
ნანოზომიერი მასალები მაღალი წარმადობის საფარებში
ნანოტექნოლოგია არის მზარდი ტექნოლოგია, რომელიც გზას იკვლევს მრავალ ინდუსტრიაში. ნანომასალები და ნანოკომპოზიტები გამოიყენება საფარების ფორმულაციებში, მაგ. აბრაზიისა და ნაკაწრების მიმართ მდგრადობის ან UV-მდგრადობის გასაძლიერებლად. საფარებში გამოყენებისთვის უდიდესი გამოწვევაა გამჭვირვალობის, ოპტიკური სიწმინდისა და ბზინვარების შენარჩუნება. ამიტომ, ნანონაწილაკები უნდა იყოს ძალიან მცირე, რათა ხილულ სინათლეს ხელი არ შეუშალოს. მრავალი გამოყენების შემთხვევაში საჭირო ზომა მნიშვნელოვნად ნაკლებია 100nm-ზე.
მაღალი წარმადობის კომპონენტების სველი დაფქვა ნანომეტრულ დიაპაზონამდე ხდება კრიტიკული ნაბიჯი ნანოინჟინრული საფარების ფორმულაციაში. ნებისმიერი ნაწილაკი, რომელიც ხელს უშლის ხილული სინათლის გავლას, იწვევს შემღვრევასა და გამჭვირვალობის დაკარგვას. ამიტომ საჭიროა ნაწილაკების ზომების ძალიან ვიწრო განაწილება. ულტრაბგერითი დამუშავება მყარი ნივთიერებების წვრილად დაფქვის ძალიან ეფექტური საშუალებაა. ულტრაბგერითი / აკუსტიკური კავიტაცია სითხეებში იწვევს მაღალსიჩქარიან ნაწილაკთაშორის შეჯახებებს. ტრადიციული ბურთულებიანი და კენჭებიანი წისქვილებისგან განსხვავებით, ნაწილაკები თავად აქუცმაცებენ ერთმანეთს, რაც საფქვავი სხეულების გამოყენების საჭიროებას აღმოფხვრის.
კომპანიები, როგორიცაა Panadur (გერმანია) იყენებენ Hielscher-ის ულტრაბგერით აპარატებს ყალიბში დასატან საფარებში ნანომასალების დისპერგირებისა და დეაგლომერაციისთვის. დააწკაპუნეთ აქ, რათა მეტი შეიტყოთ ყალიბში დასატანი საფარების ულტრაბგერითი დისპერგირების შესახებ!
საშიშ გარემოში აალებადი სითხეების ან გამხსნელების ულტრაბგერითი დამუშავებისთვის ხელმისაწვდომია ATEX-ის სერტიფიცირებული პროცესორები. გაიგეთ მეტი Atex-ის სერტიფიცირებული ულტრაბგერითი აპარატის UIP1000-Exd შესახებ!
დაგვიკავშირდით! / დაგვისვით შეკითხვა!
MultiSonoReactor MSR-4 არის სამრეწველო ინლაინ ჰომოგენიზატორი, რომელიც შესაფერისია პიგმენტებისა და პოლიმერების დისპერსიების სამრეწველო წარმოებისთვის.
ლიტერატურა
- Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, in: Ultrasonics Sonochemistry 7, 2000. 77-85.
- Behrend, O., Schubert, H. (2001): Influence of hydrostatic pressure and gas content on continuous ultrasound emulsification, in: Ultrasonics Sonochemistry 8, 2001. 271-276.
- Landfester, K. (2001): The Generation of Nanoparticles in Miniemulsions; in: Advanced Materials 2001, 13, No 10, May17th. Wiley-VCH.
- Hielscher, T. (2005): Ultrasonic Production of Nano-Size Dispersions and Emulsions, in: Proceedings of European Nanosystems Conference ENS’05.
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს ლაბორატორიული დან სამრეწველო ზომამდე.