분산 및 분쇄를 위한 초음파: 도료 및 안료

고출력 초음파는 강력하면서도 정밀하게 제어할 수 있는 분쇄 및 분산 효과로 잘 알려져 있습니다. 이러한 특성 덕분에 초음파 균질기는 안료 페이스트와 도료 배합물 생산에 이상적입니다. 산업용 초음파 처리기는 마이크로미터 및 나노미터 범위에서 매우 균일한 입도 분포를 제공합니다. Hielscher 초음파 처리기로 고점도 유체를 대용량으로 연속 처리하여 균일한 습윤, 분산, 해응집 및 분쇄를 실현하십시오!

초음파를 이용한 도료 제조

초음파 처리로 도료, 색재 및 코팅의 품질을 개선하십시오:

• 배합물: 고점도, 높은 입자 함량, 수성 또는 용제형 등 어떤 배합물이든 Hielscher 산업용 인라인 초음파 처리기로 처리할 수 있습니다.
• 마이크로미터 및 나노미터 크기: 음향 캐비테이션으로 발생하는 높은 전단력은 입자를 미세한 직경으로 줄이고 균일하게 분산시킵니다. 입자 및 배합물의 요구 사항에 맞게 초음파 처리 매개변수를 조정하면 나노 크기의 안료를 안정적으로 생산할 수 있습니다.
• 광학적 특성: 적절한 광학적 특성을 얻으려면 안료의 입도를 제어해야 합니다. 일반적으로 불투명도는 입도와 상관관계가 있으며, 입자가 미세할수록 불투명도가 높아집니다. 예를 들어 TiO2는 빛의 파장의 약 절반에 해당하는 0.20~0.3 마이크로미터의 입도가 되도록 특별히 처리됩니다. 초음파 처리는 TiO2 안료를 최적의 크기로 줄여 최고의 은폐력을 얻을 수 있게 합니다.
• 고성능 입자: 입도가 작아지면 색의 채도, 색상 일관성 및 안정성이 높아집니다. 강력하면서도 정밀하게 제어할 수 있는 초음파 힘을 이용하면 코팅 입자, SWNTs, MWCNTs 및 코어–셸 입자와 같은 개질 및 기능화 나노입자를 생산할 수 있습니다. 이러한 입자는 고유한 특성을 나타내며 도료 또는 코팅 배합물의 품질과 기능성(예: 내자외선성, 내스크래치성, 강도, 접착성, 높은 내열성, 적외선 및 태양광 반사율)을 새로운 수준으로 끌어올립니다.
• 개질 입자: 표면 개질 안료는 높은 안료 함량에서도 매우 낮은 점도(고형분 10%에서 2.5cP), 뛰어난 현탁 안정성 및 높은 순도를 나타냅니다. 초음파 보조 입자 기능화를 통해 특별한 특성을 지닌 고성능 안료를 간편하게 합성할 수 있습니다.

초음파 캐비테이션과 높은 전단력으로 분쇄 및 분산된 안료 페이스트는 입도가 크게 감소하고 균일한 분포를 나타냅니다. 위 그래프는 초음파 에너지가 증가할수록 입도 감소 폭이 커지는 것을 보여 줍니다.

도료를 생산하려면 안료, 바인더/도막 형성제, 희석제/용제, 수지, 충전제 및 첨가제와 같은 성분을 함께 혼합하여 균일한 배합물로 만들어야 합니다. 안료는 도료에 색을 부여하는 결정적인 성분입니다. 가장 중요한 백색 안료는 TiO2이며, 원하는 수준의 백색도, 밝기, 불투명도 및 매우 높은 굴절률을 나타내려면 직경 0.2~0.3 마이크로미터의 최적 입도로 분쇄해야 합니다. 초음파 전단력은 TiO2 입자를 매우 효과적이고 에너지 효율적으로 해응집 및 분산시킵니다(아래 이미지 참조).

고형분 농도가 서로 다른 초음파 분산 TiO2 나노입자 현탁액의 TEM 이미지. 초음파 처리에 사용한 장비: 초음파 처리기 UIP1000hdT
왼쪽: 초음파 에너지 투입량 1.8 × 10⁵ J/L – 오른쪽: 초음파 에너지 투입량 5.4 × 10⁵ J/L
(연구 및 이미지: ©Fasaki et al., 2012)

 
초음파 분쇄 및 분산은 착색력, 밀도, 분쇄 미세도, 분산 및 유변학적 특성을 개선하여 도료의 품질을 높입니다.

초음파 분산 및 분쇄 조건

도료와 코팅의 품질은 안료의 균일한 분산에 달려 있습니다. Hielscher Ultrasonics는 도료 분산, 특히 안료 함량이 높은 배합물을 위한 효과적인 분쇄 장비를 공급합니다. 분쇄, 미분쇄, 해응집 및 분산 용도에 사용되는 초음파 분산기의 작동 원리는 주로 초음파 캐비테이션으로 발생하는 전단 작용에 기반합니다. 입자를 분리하는 데 필요한 캐비테이션 전단력은 높은 압력차, 국소 고온점 및 액체 제트에 의해 발생하며, 이로 인해 입자 간 충돌로 입자가 파쇄됩니다.
초음파 프로브당 출력이 16,000 와트인 UIP16000hdT와 같은 산업용 초음파 분산기는 도료와 코팅을 대용량으로 연속 처리할 수 있습니다.

분쇄도 측정기 위의 초음파 처리 초크 페인트는 안료가 완벽하게 균일하게 해응집되어 있고 입도 분포도 완벽하게 균일함을 보여 줍니다

나노입자의 분산

초음파 분쇄 및 분산은 개별적으로 분산된 일차 입자를 얻기 위해 나노입자를 효율적으로 처리하는 유일한 방법인 경우가 많습니다. 일차 입자의 크기가 작으면 표면적이 커지며, 이는 입자 고유의 특성과 기능성 발현과 상관관계가 있습니다. 동시에 입도가 작을수록 표면 에너지가 높아져 응집이 더 심해지고 반응성이 높아지므로, 나노입자를 배합물에 균일하게 분산시키려면 강력한 초음파 분산력이 필요합니다.
또한 초음파 표면 처리는 나노입자를 개질하여 분산성, 분산 안정성, 소수성 및 기타 특성을 개선할 수 있습니다.
연구자들은 나노입자에 대한 초음파 분산법을 선호되는 해결책으로 권장했으며, 그 이유는 다음과 같습니다: “초음파 방식으로 분산시킨 물질이 비드 밀링으로 생산한 물질보다 훨씬 더 순수하기 때문입니다.” [Kim et al. 2010].

초음파 분산 기술은 삼본 롤 밀, 볼 밀 또는 미디어 밀과 같은 기존 분쇄 기술에 비해 많은 장점이 있습니다.

마스터배치 및 도료 배합물용 안료와 착색제의 초음파 균질화 및 분산에 대해 자세히 알아보십시오!

문헌 / 참고문헌

• 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.
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• 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.