Ultrasoon geluid voor dispergeren en malen: verf en pigmenten

Ultrasoon geluid met hoog vermogen staat bekend om zijn intense en nauwkeurig regelbare maal- en dispergeereffecten. Dit maakt ultrasone homogenisatoren ideaal voor de productie van pigmentpasta en verfformuleringen. Industriële sonicatoren zorgen voor een zeer uniforme deeltjesgrootteverdeling in het micro- en nanobereik. Verwerk grote volumestromen met een hoge viscositeit met sonicatoren van Hielscher om homogene bevochtiging, dispergering, deagglomeratie en vermaling te bereiken!

Verfproductie met ultrasoon geluid

Verbeter uw verven, kleuren en coatings met sonicatie:

• Formulering: Of het nu gaat om hoge viscositeiten, hoge deeltjesgehalten of formuleringen op water- of oplosmiddelbasis – met industriële inline-sonicatoren van Hielscher kunt u elke formulering verwerken.
• Micro- en nanogrootte: De hoge afschuifkrachten die door akoestische cavitatie worden gegenereerd, verkleinen deeltjes tot zeer kleine deeltjesdiameters en zorgen voor een uniforme dispersie. Door de sonicatieparameters af te stemmen op uw eisen aan de deeltjes en de formulering, kunnen pigmenten van nanogrootte betrouwbaar worden geproduceerd.
• Optische eigenschappen: Om de juiste optische eigenschappen te verkrijgen, moet de deeltjesgrootte van het pigment worden beheerst. Gewoonlijk hangt de opaciteit samen met de deeltjesgrootte: hoe fijner de deeltjes, hoe groter de opaciteit. TiO2 wordt bijvoorbeeld specifiek verwerkt tot een deeltjesgrootte van 0,20 tot 0,3 micrometer, wat ongeveer overeenkomt met de helft van de golflengte van licht. Sonicatie verkleint de TiO2-pigmenten tot hun optimale grootte, zodat het maximale dekkende vermogen wordt verkregen.
• Deeltjes met hoge prestaties: Kleinere deeltjesgroottes leiden tot een grotere kleurverzadiging, kleurconsistentie en stabiliteit. De intense, maar nauwkeurig regelbare ultrasone krachten maken het mogelijk om gemodificeerde en gefunctionaliseerde nanodeeltjes te produceren, zoals gecoate deeltjes, SWNTs, MWCNTs en kern-schildeeltjes. Dergelijke deeltjes vertonen unieke eigenschappen en tillen verf- of coatingformuleringen naar een nieuw niveau van kwaliteit en functionaliteit (bijv. UV-bestendigheid, krasbestendigheid, sterkte, hechting, hoge hittebestendigheid en reflectie van infrarood- en zonnestraling).
• Gemodificeerde deeltjes: Pigmenten met een gemodificeerd oppervlak hebben een zeer lage viscositeit bij hoge pigmentgehalten (2,5cP bij 10% vaste stoffen), een superieure suspensiestabiliteit en een hoge zuiverheid. Ultrasoon ondersteunde deeltjesfunctionalisering maakt het eenvoudig om pigmenten met hoge prestaties met bijzondere eigenschappen te synthetiseren.

Pigmentpasta’s die met ultrasone cavitatie en hoge afschuifkrachten worden gemalen en gedispergeerd, vertonen een aanzienlijke deeltjesverkleining en een uniforme verdeling. De bovenstaande grafiek toont de toenemende deeltjesverkleining bij toenemende ultrasone energie.

Voor de productie van verf moeten de bestanddelen, zoals pigmenten, bindmiddelen/ filmvormers, verdunningsmiddelen/ oplosmiddelen, harsen, vulstoffen en additieven, worden gemengd tot een homogene formulering. Pigmenten zijn het bepalende bestanddeel dat verf zijn kleur geeft. Het belangrijkste witte pigment is TiO2, dat moet worden gemalen tot een optimale deeltjesdiameter tussen 0,2 en 0,3 micrometer om de gewenste mate van witheid, helderheid en opaciteit en een zeer hoge brekingsindex te verkrijgen. De ultrasone afschuifkrachten zorgen voor een zeer effectieve en energie-efficiënte deagglomeratie en dispersie van TiO2-deeltjes (zie onderstaande afbeelding).

TEM van een ultrasoon gedispergeerde suspensie van TiO2-nanodeeltjes met verschillende concentraties vaste stoffen. De sonicatie werd uitgevoerd met de sonicator UIP1000hdT
Links: ultrasone energietoevoer 1,8 × 10⁵ J/L – Rechts: ultrasone energietoevoer 5,4 × 10⁵ J/L
(Onderzoek en afbeeldingen: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ultrasoon malen en dispergeren verhogen de verfkwaliteit door de kleurkracht, dichtheid, maalfijnheid, dispersie en reologie te verbeteren.

Omstandigheden voor ultrasoon dispergeren en malen

De kwaliteit van verven en coatings hangt af van de homogene dispersie van de pigmenten. Hielscher Ultrasonics levert effectieve maalapparatuur voor het dispergeren van verf, vooral voor formuleringen met hoge pigmentgehalten. Het werkingsmechanisme van ultrasone dispergeerapparaten voor maal-, deagglomeratie- en dispersietoepassingen is voornamelijk gebaseerd op het afschuifprincipe dat door ultrasone cavitatie wordt opgewekt. De door cavitatie opgewekte afschuifkrachten die nodig zijn voor het scheiden van de deeltjes, worden geproduceerd door hoge drukverschillen, plaatselijke hete zones en vloeistofstralen, waardoor de deeltjes door onderlinge botsingen worden opgebroken.
Industriële ultrasone dispergeerapparaten zoals de UIP16000hdT met 16.000 watt per ultrasone sonde kunnen grote volumestromen van verven en coatings verwerken.

Met sonicatie behandelde krijtverf op de grindometer toont de perfect uniforme deagglomeratie en deeltjesgrootteverdeling van de pigmenten

Dispersie van nanodeeltjes

Ultrasoon malen en dispergeren is vaak de enige methode om nanodeeltjes efficiënt te verwerken en afzonderlijk gedispergeerde primaire deeltjes te verkrijgen. Een kleine primaire deeltjesgrootte resulteert in een groot oppervlak en hangt samen met het tot uiting komen van unieke deeltjeseigenschappen en functionaliteiten. Tegelijkertijd gaat een kleinere deeltjesgrootte gepaard met een hoge oppervlakte-energie die tot sterkere aggregatie en reactiviteit leidt, zodat de intense ultrasone dispergeerkrachten nodig zijn om de nanodeeltjes homogeen in de formulering te dispergeren.
Bovendien kan een ultrasone oppervlaktebehandeling de nanodeeltjes modificeren, wat leidt tot een betere dispergeerbaarheid, dispersiestabiliteit, hydrofobiciteit en andere eigenschappen.
Onderzoekers hebben de ultrasone dispersiemethode voor nanodeeltjes aanbevolen als voorkeursoplossing, “omdat het materiaal dat met de ultrasone methode wordt gedispergeerd veel zuiverder is dan het materiaal dat met een parelmolen wordt geproduceerd.” [Kim et al. 2010].

De ultrasone dispersietechniek biedt veel voordelen ten opzichte van traditionele maaltechnologieën zoals driewalsmolens, kogelmolens of maalmolens met maalmedia.

Lees meer over ultrasone homogenisatie en het dispergeren van pigmenten en kleurstoffen voor masterbatches en verfformuleringen!

Literatuur / Referenties

• 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.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• 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.