Ultrageluid in de formulering van coatings

Verschillende componenten, zoals pigmenten, vulstoffen, chemische additieven, crosslinkers en reologiemodificatoren worden gebruikt in coatings en verfformules. Ultrasoon geluid is een effectief middel voor het dispergeren en emulgeren, deagglomereren en malen van dergelijke componenten in coatings.

Ultrasoon geluid wordt gebruikt bij de formulering van coatings voor:

• emulsificatie van polymeren in waterige systemen
• dispergeren en fijnmalen van pigmenten
• verkleining van nanomaterialen in hoogwaardige coatings

Coatings vallen uiteen in twee grote categorieën: harsen en coatings op waterbasis en op basis van oplosmiddelen. Elk type heeft zijn eigen uitdagingen. Richtlijnen voor VOS-reductie en hoge oplosmiddelprijzen stimuleren de groei in watergedragen harscoatingtechnologieën. Het gebruik van ultrasoontechnologie kan de prestaties van dergelijke milieuvriendelijke systemen verbeteren.

Verbeterde coatingformulering door ultrasoonbehandeling

Ultrasoon geluid kan formuleerders van architecturale, industriële, auto- en houtcoatings helpen om de coatingeigenschappen te verbeteren, zoals kleursterkte, kras-, scheur- en UV-bestendigheid of elektrische geleidbaarheid. Sommige van deze coatingeigenschappen worden bereikt door het toevoegen van nanomaterialen, zoals metaaloxiden (TiO₂siliciumdioxide, ceria, ZnO, …).

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

Omdat ultrasone dispergeertechnologie kan worden gebruikt in laboratoria, op werkbanken en in industriële productie, met verwerkingssnelheden van meer dan 10 ton/uur, wordt deze technologie toegepast in de R&T-sector.&D-fase en in de commerciële productie. Procesresultaten kunnen eenvoudig en lineair worden opgeschaald.

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

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

• emulsificatie van polymeren in waterige systemen,
• dispergeren en fijnmalen van pigmenten,
• en verkleining van nanomaterialen.

Emulsie-polymerisatie met behulp van Sonicatie

Traditionele coatingformules maken gebruik van basische polymeerchemie. De overgang naar coatingtechnologie op waterbasis heeft een impact op de keuze van grondstoffen, eigenschappen en formuleringsmethodologieën.

Bij conventionele emulsiepolymerisatie, bijvoorbeeld voor watergedragen coatings, worden de deeltjes opgebouwd vanuit het midden naar het oppervlak. Kinetische factoren beïnvloeden de homogeniteit en morfologie van de deeltjes.

Ultrasone verwerking kan op twee manieren worden gebruikt om polymeeremulsies te genereren.

• top-down: Emulgeren/Verspreiden van grotere polymeerdeeltjes om kleinere deeltjes te genereren door verkleining
• bottom-up: Gebruik van ultrageluid voor of tijdens polymerisatie van deeltjes

 

 

Nanodeeltjespolymeren in miniemulsies

De polymerisatie van deeltjes in miniemulsies maakt de productie mogelijk van gedispergeerde polymeerdeeltjes met een goede controle over de deeltjesgrootte. De synthese van nanodeeltjes van polymeren in miniemulsies (ook bekend als nanoreactoren), zoals gepresenteerd door K. Landfester (2001), is een uitstekende methode voor de vorming van polymere nanodeeltjes. Deze benadering gebruikt het grote aantal kleine nanocompartimenten (disperse fase) in een emulsie als nanoreactoren. Hierbij worden de deeltjes op een zeer parallelle manier gesynthetiseerd in de afzonderlijke, ingesloten druppeltjes. In haar artikel presenteert Landfester (2001) de polymerisatie in nanoreactoren in hoge perfectie voor het genereren van zeer identieke deeltjes van bijna uniforme grootte. De afbeelding hierboven toont deeltjes die zijn verkregen door ultrasonisch-ondersteunde polyadditie in miniemulsies.

Kleine druppeltjes gegenereerd door de toepassing van hoge afschuiving (ultrasoon) en gestabiliseerd door stabiliserende middelen (emulgatoren), kunnen worden gehard door daaropvolgende polymerisatie of door temperatuurverlaging in het geval van materialen die bij lage temperatuur smelten. Omdat ultrasoonbehandeling zeer kleine druppeltjes van bijna uniforme grootte kan produceren in batch- en productieprocessen, maakt het een goede controle mogelijk over de uiteindelijke deeltjesgrootte. Voor de polymerisatie van nanodeeltjes kunnen hydrofiele monomeren worden geëmulgeerd in een organische fase en hydrofobe monomeren in water.

Bij het verkleinen van de deeltjesgrootte neemt tegelijkertijd het totale deeltjesoppervlak toe. De afbeelding links toont de correlatie tussen deeltjesgrootte en oppervlakte in het geval van bolvormige deeltjes. Daarom neemt de hoeveelheid oppervlakteactieve stof die nodig is om de emulsie te stabiliseren bijna lineair toe met het totale deeltjesoppervlak. Het type en de hoeveelheid oppervlakteactieve stof beïnvloedt 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 goede controle over de deeltjesgrootte nodig. Wanneer pigmentpoeder wordt toegevoegd aan watergedragen, oplosmiddelgedragen of epoxysystemen, hebben de afzonderlijke pigmentdeeltjes de neiging om grote agglomeraten te vormen. Om dergelijke agglomeraten te breken en de afzonderlijke pigmentdeeltjes fijn te malen, worden gewoonlijk mechanismen met hoge schuifkrachten gebruikt, zoals rotor-statormengers of roermolens. Ultrasoon mengen is een uiterst effectief alternatief voor deze stap in de productie van coatings.

De grafieken hieronder tonen de impact van sonicatie op de grootte van een parelglanspigment. Het ultrageluid vermaalt de afzonderlijke pigmentdeeltjes door botsingen tussen de deeltjes met hoge snelheid. Het grote voordeel van ultrasoon geluid is de hoge impact van cavitatieschuifkrachten, waardoor het gebruik van maalmedia (bijv. kralen, parels) niet nodig is. Omdat de deeltjes worden versneld door extreem snelle vloeistofstralen tot 1000 km/u, botsen ze heftig tegen elkaar en versplinteren ze 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 deeltjesdistributie.

 

Ultrasoon malen en dispergeren is vaak beter dan hogesnelheidsmixers en mediamolens, omdat sonicatie zorgt voor een consistentere verwerking van alle deeltjes. Over het algemeen produceert ultrasoon malen kleinere deeltjesgrootten en een smalle deeltjesgrootteverdeling (pigmentmaalcurven). Dit verbetert de algehele kwaliteit van de pigmentdispersies, omdat grotere deeltjes meestal de verwerkingsmogelijkheden, glans, weerstand en optische verschijning verstoren.

Omdat 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 (bijv. masterbatches) en nog steeds goede effecten van groottevermindering produceren. De tabel hieronder toont foto's van het nat malen van TiO2.

De plot hieronder toont de deeltjesgrootteverdelingscurven voor de deagglomeratie van Degussa anataas titaniumdioxide door ultrasoonbehandeling. De smalle vorm van de curve na sonicatie is een typisch kenmerk van ultrasone verwerking.

Nanosize materialen in hoogwaardige coatings

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

Het nat malen van hoogwaardige componenten tot in het nanometerbereik wordt een cruciale stap in de formulering van nanocoaten. Deeltjes die interfereren met zichtbaar licht veroorzaken waas en verlies van transparantie. Daarom zijn zeer smalle grootteverdelingen vereist. Ultrasoon is een zeer effectief middel voor het fijnmalen van vaste stoffen. Ultrasone/akoestische cavitatie in vloeistoffen veroorzaakt botsingen tussen deeltjes met hoge snelheid. Anders dan bij conventionele parelmolens en kiezelmolens vermalen de deeltjes elkaar, waardoor maalmedia overbodig worden.

Bedrijven zoals Panadur (Duitsland) Hielscher ultrasone apparaten 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 het sonificeren van ontvlambare vloeistoffen of oplosmiddelen in gevaarlijke omgevingen zijn ATEX-gecertificeerde processors beschikbaar. Meer informatie over de Atex-gecertificeerde ultrasoon UIP1000-Exd!