Ultrasoon geluid bij de formulering van coatings

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

Ultrasoon geluid wordt bij de formulering van coatings gebruikt voor:

• het emulgeren van polymeren in waterige systemen
• het dispergeren en fijnmalen van pigmenten
• het verkleinen van nanomaterialen in coatings met hoge prestaties

Coatings vallen uiteen in twee brede categorieën: watergedragen harsen en coatings en harsen en coatings op basis van oplosmiddelen. Elk type heeft zijn eigen uitdagingen. Richtlijnen die om een vermindering van vluchtige organische stoffen (VOS) vragen en hoge oplosmiddelprijzen stimuleren de groei van coatingtechnologieën op basis van watergedragen harsen. Het gebruik van sonicatie kan de prestaties van dergelijke milieuvriendelijke systemen verbeteren.

Verbeterde coatingformulering door sonicatie

Ultrasoon geluid kan formuleerders van coatings voor gebouwen, industrie, auto’s en hout helpen om de coatingeigenschappen te verbeteren, zoals kleurkracht, kras-, scheur- en UV-bestendigheid of elektrische geleidbaarheid. Sommige van deze coatingeigenschappen worden bereikt door materialen op nanoschaal toe te voegen, bijvoorbeeld metaaloxiden (TiO₂, silica, ceriumoxide, ZnO, …).

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

Omdat ultrasone dispergeertechnologie op laboratoriumschaal, met tafelmodellen en op industriële productieschaal kan worden gebruikt en verwerkingscapaciteiten van meer dan 10 ton/uur mogelijk maakt, wordt deze zowel in de R&D-fase als in de commerciële productie toegepast. Procesresultaten kunnen eenvoudig en lineair worden opgeschaald.

Ultrasone apparaten van Hielscher zijn zeer energie-efficiënt. De apparaten zetten ongeveer 80 tot 90% van het toegevoerde elektrische vermogen 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 ultrasoon geluid met hoge prestaties voor

• het emulgeren van polymeren in waterige systemen,
• het dispergeren en fijnmalen van pigmenten,
• en het verkleinen van nanomaterialen.

Emulsiepolymerisatie met sonicatie

Traditionele coatingformuleringen maken gebruik van basale polymeerchemie. De overstap naar watergedragen coatingtechnologie heeft invloed op de keuze van grondstoffen, de eigenschappen en de formulatiemethoden.

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

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

• Top-down: Emulgeren/dispergeren van grotere polymeerdeeltjes om door verkleining kleinere deeltjes te maken
• Bottom-up: Gebruik van ultrasoon geluid vóór of tijdens de polymerisatie van deeltjes

 

In deze video tonen wij u een ultrasoon systeem van 2 kilowatt voor inlinegebruik in een spoelbare kast. Hielscher levert ultrasone apparatuur aan vrijwel alle industrieën, zoals de chemische, farmaceutische en cosmetische industrie, en voor petrochemische processen en extractieprocessen met oplosmiddelen. Deze spoelbare roestvaststalen kast is ontworpen voor gebruik in explosiegevaarlijke zones. Hiervoor kan de klant de afgedichte kast met stikstof of verse lucht spoelen om te voorkomen dat brandbare gassen of dampen de kast binnendringen.

 

Nanodeeltjes van polymeren in miniemulsies

De polymerisatie van deeltjes in miniemulsies maakt de productie van gedispergeerde polymeerdeeltjes met goede controle over de deeltjesgrootte mogelijk. De synthese van polymeernanodeeltjes in miniemulsies (ook bekend als nanoreactoren), zoals beschreven door K. Landfester (2001), is een uitstekende methode voor de vorming van polymeernanodeeltjes. Deze aanpak gebruikt het grote aantal kleine nanocompartimenten (gedispergeerde fase) in een emulsie als nanoreactoren. Hierin worden de deeltjes in de afzonderlijke, begrensde druppels in hoge mate parallel gesynthetiseerd. In haar artikel beschrijft Landfester (2001) de polymerisatie in nanoreactoren met een hoge mate van perfectie voor het maken van zeer sterk identieke deeltjes van vrijwel uniforme grootte. De afbeelding hierboven toont deeltjes die zijn verkregen door ultrasoon ondersteunde polyadditie in miniemulsies.

Kleine druppels die door toepassing van sterke afschuiving (sonicatie) worden gevormd en met stabilisatoren (emulgatoren) worden gestabiliseerd, kunnen worden uitgehard door daaropvolgende polymerisatie of, bij materialen met een lage smelttemperatuur, door verlaging van de temperatuur. Omdat sonicatie zowel in batchprocessen als in productieprocessen zeer kleine druppels van vrijwel uniforme grootte kan produceren, maakt dit een goede controle over de uiteindelijke deeltjesgrootte mogelijk. Voor de polymerisatie van nanodeeltjes kunnen hydrofiele monomeren in een organische fase en hydrofobe monomeren in water worden geëmulgeerd.

Wanneer de deeltjesgrootte wordt verkleind, neemt tegelijkertijd het totale deeltjesoppervlak toe. De afbeelding links toont de samenhang tussen deeltjesgrootte en oppervlak bij bolvormige deeltjes. Daardoor neemt de hoeveelheid oppervlakteactieve stof die nodig is om de emulsie te stabiliseren vrijwel lineair toe met het totale deeltjesoppervlak. Het type en de hoeveelheid oppervlakteactieve stof beïnvloeden de druppelgrootte. Met anionische of kationische oppervlakteactieve stoffen kunnen druppels van 30 tot 200nm worden verkregen.

Pigmenten in coatings

Organische en anorganische pigmenten vormen een belangrijk bestanddeel van coatingformuleringen. Om de prestaties van pigmenten te maximaliseren, is een goede controle over de deeltjesgrootte nodig. Wanneer pigmentpoeder aan watergedragen systemen, systemen op basis van oplosmiddelen of epoxysystemen wordt toegevoegd, hebben de afzonderlijke pigmentdeeltjes de neiging om grote agglomeraten te vormen. Mechanismen met sterke afschuiving, zoals rotor-statormengers of roerwerkparelmolens, worden conventioneel gebruikt om dergelijke agglomeraten op te breken en de afzonderlijke pigmentdeeltjes fijn te malen. Sonicatie is een uiterst effectief alternatief voor deze stap in de productie van coatings.

De onderstaande grafieken tonen de invloed van sonicatie op de grootte van een parelmoerpigment. Ultrasoon geluid maalt de afzonderlijke pigmentdeeltjes door botsingen tussen deeltjes met hoge snelheid. Het voornaamste voordeel van sonicatie is de sterke werking van afschuifkrachten door cavitatie, waardoor het gebruik van maalmedia (bijvoorbeeld maalbolletjes of maalparels) overbodig wordt. Doordat de deeltjes worden versneld door extreem snelle vloeistofstralen van maximaal 1000km/hr, botsen ze heftig en breken ze in kleine stukjes uiteen. Deeltjesabrasie geeft de ultrasoon gemalen deeltjes een glad oppervlak. Over het geheel genomen resulteren ultrasoon malen en dispergeren in een fijne en uniforme deeltjesverdeling.

 

Ultrasoon malen en dispergeren presteren vaak beter dan hogesnelheidsmengers en molens met maalmedia, omdat sonicatie een consistentere verwerking van alle deeltjes oplevert. Over het algemeen levert sonicatie kleinere deeltjesgroottes en een smalle deeltjesgrootteverdeling op (maalcurven voor pigmenten). Dit verbetert de algehele kwaliteit van de pigmentdispersies, aangezien grotere deeltjes doorgaans de verwerkbaarheid, glans, bestendigheid en optische verschijningsvorm nadelig beïnvloeden.

Omdat het malen en fijnmalen van deeltjes berust op botsingen tussen deeltjes als gevolg van ultrasone cavitatie, kunnen ultrasone reactoren vrij hoge concentraties vaste stoffen (bijvoorbeeld masterbatches) verwerken en toch goede verkleiningsresultaten opleveren. De onderstaande tabel toont afbeeldingen van het natmalen van TiO2.

De onderstaande grafiek toont de deeltjesgrootteverdelingscurven voor de deagglomeratie van Degussa-anataas-titaandioxide door sonicatie. De smalle vorm van de curve na sonicatie is een typisch kenmerk van ultrasone verwerking.

Materialen op nanoschaal in coatings met hoge prestaties

Nanotechnologie is een opkomende technologie die haar weg vindt naar veel industrieën. Nanomaterialen en nanocomposieten worden in coatingformuleringen gebruikt, bijvoorbeeld om de slijtage- en krasbestendigheid 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 zeer klein zijn om verstoring van het zichtbare lichtspectrum te voorkomen. Voor veel toepassingen is dit aanzienlijk kleiner dan 100nm.

Het natmalen van componenten met hoge prestaties tot het nanometerbereik wordt een cruciale stap in de formulering van coatings die met nanotechnologie zijn ontwikkeld. Alle deeltjes die het zichtbare licht verstoren, veroorzaken troebelheid en verlies van transparantie. Daarom zijn zeer smalle grootteverdelingen vereist. Sonicatie is een zeer effectief middel voor het fijnmalen van vaste stoffen. Ultrasone / akoestische cavitatie in vloeistoffen veroorzaakt botsingen tussen deeltjes met hoge snelheid. In tegenstelling tot conventionele parelmolens en kiezelmolens verkleinen de deeltjes elkaar, waardoor maalmedia overbodig worden.

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

Voor de sonicatie van ontvlambare vloeistoffen of oplosmiddelen in explosiegevaarlijke omgevingen zijn ATEX-gecertificeerde processoren beschikbaar. Lees meer over de ATEX-gecertificeerde sonicator UIP1000-Exd!