Verschillende componenten, zoals pigmenten, vulstoffen, chemische additieven, crosslinkers en reologie modifiers gaan in coating en verfformuleringen. Echografie is een effectief middel voor het dispergeren en emulgeren, deagglomeratie en frezen van dergelijke componenten in coatings.

Ultrageluid wordt gebruikt bij het formuleren van coatings voor:

• emulsificatie van polymeren in waterige systemen
• dispergeren en fijn malen van pigmenten
• verkleining van de afmetingen van nanomaterialen in hoogwaardige coatings

Coatings vallen in twee grote categorieën uiteen: harsen en coatings op waterbasis en op solventbasis. Elk type heeft zijn eigen uitdagingen. Richtlijnen die oproepen tot VOC-reductie en hoge prijzen voor oplosmiddelen stimuleren de groei van watergedragen harscoatingtechnologieën. Het gebruik van ultrasoonbehandeling kan de prestaties van dergelijke milieuvriendelijke systemen verbeteren.

Verbeterde coatingformulering door ultrasoonbehandeling

Ultrasoon geluid kan de samenstellers van coatings voor architectuur, industrie, auto's en hout helpen de coatingkenmerken, zoals kleursterkte, kras-, barst- en UV-bestendigheid of elektrische geleidbaarheid, te verbeteren. Sommige van deze coatingkenmerken worden bereikt door de toevoeging van materialen met nanogrootte, b.v. metaaloxiden (TiO₂Silica, Ceria, Ceria, ZnO, …).

Ultrasoon geluid helpt verder bij het ontschuimen (ingesloten luchtbellen) en ontgassen (opgelost gas) van zeer viskeuze producten. Lees meer over ultrasone ontluchting en ontgassing van vloeistoffen!

Aangezien ultrasone dispergeertechnologie kan worden gebruikt op laboratorium-, bench-top- en industrieel productieniveau, waardoor verwerkingssnelheden van meer dan 10 ton/uur mogelijk zijn, wordt zij toegepast in de R&D-fase en in de commerciële productie. Procesresultaten kunnen gemakkelijk en lineair worden opgeschaald.

Hielscher ultrasone apparaten zijn zeer energiezuinig. De apparaten zetten ca. 80 tot 90% van het elektrische ingangsvermogen om in mechanische activiteit in de vloeistof. Dit leidt tot aanzienlijk lagere verwerkingskosten.

Via onderstaande links kunt u meer lezen over het gebruik van ultrageluid met hoge prestaties voor de

• emulsificatie van polymeren in waterige systemen,
• dispergeren en fijn malen van pigmenten,
• en verkleinen van nanomaterialen.

Emulsiepolymerisatie met gebruik van sonificatie

Traditionele coatingformuleringen maken gebruik van elementaire polymeerchemie. De overschakeling op coatingtechnologie op waterbasis heeft gevolgen voor de keuze van de grondstoffen, de eigenschappen en de formuleringsmethodologieën.

Bij gebruikelijke emulsiepolymerisatie, b.v. voor watergedragen coatings worden de deeltjes opgebouwd uit het centrum naar het oppervlak. Kinetic factoren van invloed deeltje homogeniteit en morfologie.

Ultrasone bewerking kan worden gebruikt op twee manieren genereren polymeeremulsies.

• Ondersteboven: emulgeren/Dispergeren grotere polymeerdeeltjes kleinere deeltjes door verkleinen genereren
• Onderkant boven: Gebruik van ultrageluid voor of tijdens polymerisatie van deeltjes

 

 

Nanodeeltjesvormige Polymers in mini-emulsies

De polymerisatie van deeltjes in miniemulsies maakt de fabricage van gedispergeerde polymeerdeeltjes met een goede controle over de deeltjesgrootte mogelijk. De synthese van nanodeeltjes polymeer in miniemulsies (ook nanoreactoren genoemd), zoals voorgesteld door K. Landfester (2001), is een uitstekende methode voor de vorming van polymere nanodeeltjes. Bij deze aanpak wordt het grote aantal kleine nanodelen (disperse fase) in een emulsie gebruikt als nanoreactoren. Daarin worden de deeltjes op zeer parallelle wijze gesynthetiseerd in de afzonderlijke, opgesloten druppeltjes. In haar artikel presenteert Landfester (2001) de polymerisatie in nanoreactoren in hoge perfectie voor het genereren van zeer identieke deeltjes van vrijwel uniforme grootte. De afbeelding hierboven toont deeltjes verkregen door ultrasonisch ondersteunde polyadditie in miniemulsies.

Kleine druppeltjes die worden gevormd door toepassing van hoge afschuiving (ultrasoonbehandeling) en gestabiliseerd door stabilisatoren (emulgatoren), kunnen worden gehard door daaropvolgende polymerisatie of door temperatuurverlaging in het geval van materialen die bij lage temperatuur smelten. Aangezien met ultrasoonbehandeling zeer kleine druppeltjes met een vrijwel uniforme grootte in batch- en productieprocessen kunnen worden geproduceerd, is een goede controle over de uiteindelijke deeltjesgrootte mogelijk. Voor de polymerisatie van nanodeeltjes kunnen hydrofiele monomeren worden geëmulgeerd in een organische fase, en hydrofobe monomeren in water.

Wanneer de deeltjesgrootte kleiner wordt, neemt tegelijkertijd het totale deeltjesoppervlak toe. De afbeelding links toont de correlatie tussen deeltjesgrootte en oppervlakte in het geval van bolvormige deeltjes. De hoeveelheid oppervlakte-actieve stof die nodig is om de emulsie te stabiliseren, neemt dus bijna lineair toe met het totale deeltjesoppervlak. Het type en de hoeveelheid oppervlakte-actieve stof beïnvloeden de druppelgrootte. Druppels van 30 tot 200 nm kunnen worden verkregen met anionogene of kationogene oppervlakteactieve stoffen.

Pigmenten in Coatings

Organische en anorganische pigmenten zijn een belangrijk bestanddeel van coatingformules. Om de pigmentprestaties te maximaliseren is een goede beheersing van de deeltjesgrootte nodig. Bij toevoeging van pigmentpoeder aan watergedragen, solventgedragen of epoxy-systemen hebben de afzonderlijke pigmentdeeltjes de neiging grote agglomeraten te vormen. High-shear mechanismen, zoals rotor-stator mixers of agitator kraal molens worden conventioneel gebruikt om dergelijke agglomeraten te breken en om de individuele pigmentdeeltjes te malen. Ultrasoon mengen is een uiterst doeltreffend alternatief voor deze stap bij de fabricage van coatings.

De onderstaande grafieken tonen het effect van sonicatie op de grootte van een parelmoerglanspigment. Het ultrageluid vermaalt de afzonderlijke pigmentdeeltjes door botsing tussen de deeltjes bij hoge snelheid. Het grote voordeel van ultrasoonbehandeling is de hoge impact van cavitatie afschuifkrachten, waardoor het gebruik van maalmedia (bv. parels, parels) overbodig wordt. Aangezien de deeltjes worden versneld door extreem snelle vloeistofstralen tot 1000 km/uur, botsen zij heftig op elkaar en versplinteren in kleine stukjes. Door het schuren van de deeltjes krijgen de ultrasoon gemalen deeltjes een glad oppervlak. Over het geheel genomen resulteert ultrasoon malen en dispergeren in een fijne en uniforme deeltjesverdeling.

 

Ultrasoon malen en dispergeren is vaak beter dan mengers met hoge snelheid en mediamolens, omdat sonicatie een consistentere verwerking van alle deeltjes oplevert. Over het algemeen produceert ultrasoon malen kleinere deeltjes en een smalle deeltjesgrootteverdeling (pigmentmaalkrommen). Dit verbetert de algehele kwaliteit van de pigmentdispersies, aangezien grotere deeltjes doorgaans de verwerkingsmogelijkheden, glans, weerstand en optische verschijning belemmeren.

Aangezien het malen en malen van de deeltjes gebaseerd is op botsingen tussen de deeltjes als gevolg van ultrasone cavitatie, kunnen ultrasone reactoren vrij hoge concentraties vaste stof aan (bv. masterbatches) en toch goede verkleiningsresultaten opleveren. Onderstaande tabel toont foto's van de natte vermaling van TiO2.

Onderstaande grafiek toont de deeltjesgrootteverdelingscurven voor de deagglomeratie van Degussa anatase titaandioxide door middel van ultrasoonbehandeling. De smalle vorm van de curve na sonicatie is een typisch kenmerk van ultrasone verwerking.

Nanogrootte Materialen in High Performance Coatings

Nanotechnologie is een opkomende technologie die zijn weg vindt naar vele industrieën. Nanomaterialen en nanocomposieten worden gebruikt in coatingformuleringen, bijvoorbeeld om de slijtvastheid en krasvastheid of de UV-stabiliteit te verbeteren. De grootste uitdaging voor de toepassing in coatings is het behoud van transparantie, helderheid en glans. Daarom zijn de nanodeeltjes zeer klein om interferentie met het zichtbare spectrum van het licht te voorkomen. Voor veel toepassingen is dit aanzienlijk lager dan 100nm.

Het nat malen van hoogwaardige componenten tot in het nanometergebied wordt een cruciale stap bij de formulering van nanotechnologische coatings. Deeltjes die interfereren met het zichtbare licht, veroorzaken waas en verlies van transparantie. Daarom zijn zeer smalle korrelgroottes vereist. Ultrasoonbehandeling is een zeer doeltreffend middel voor het fijnmalen van vaste stoffen. Ultrasone/akoestische cavitatie in vloeistoffen veroorzaakt botsingen tussen deeltjes bij hoge snelheid. Anders dan bij conventionele kraalmolens en kogelmolens vermalen de deeltjes elkaar, waardoor maalmedia overbodig worden.

Bedrijven, zoals Panadur (Duitsland) Hielscher ultrasoonapparaten gebruiken voor het dispergeren en deagglomereren van nanomaterialen in in-mould coatings. Klik hier om meer te lezen over ultrasone dispersie van in-mould coatings!

Voor de sonicatie van ontvlambare vloeistoffen of oplosmiddelen in gevaarlijke omgevingen zijn ATEX-gecertificeerde processoren beschikbaar. Meer informatie over de Atex-gecertificeerde ultrasoonmachine UIP1000-Exd!