Ultradźwięki w formułowaniu powłok

Różne składniki, takie jak pigmenty, wypełniacze, dodatki chemiczne, środki sieciujące i modyfikatory reologii wchodzą w skład formuł powłok i farb. Ultradźwięki są skutecznym środkiem do dyspergowania i emulgowania, deaglomeracji i mielenia takich składników w powłokach.

Ultradźwięki są stosowane w formułowaniu powłok:

• emulgowanie polimerów w układach wodnych
• Dyspergowanie i dokładne mielenie pigmentów
• redukcja rozmiaru nanomateriałów w wysokowydajnych powłokach

Powłoki dzielą się na dwie szerokie kategorie: żywice i powłoki wodorozcieńczalne oraz rozpuszczalnikowe. Każdy typ ma swoje własne wyzwania. Kierunki wzywające do redukcji LZO i wysokie ceny rozpuszczalników stymulują wzrost technologii powłok na bazie żywic wodorozcieńczalnych. Zastosowanie ultradźwięków może zwiększyć wydajność takich ekologicznych systemów.

Ulepszona formuła powłoki dzięki ultradźwiękom

Ultradźwięki mogą pomóc twórcom powłok architektonicznych, przemysłowych, samochodowych i drewnianych w poprawie właściwości powłoki, takich jak wytrzymałość koloru, odporność na zarysowania, pęknięcia i promieniowanie UV lub przewodność elektryczna. Niektóre z tych właściwości powłoki uzyskuje się poprzez włączenie materiałów o rozmiarach nano, np. tlenków metali (TiO₂krzemionka, ceramika, ZnO, …).

Ultradźwięki dodatkowo pomagają w odpienianiu (uwięzione pęcherzyki) i odgazowywaniu (rozpuszczony gaz) produktów o wysokiej lepkości. Dowiedz się więcej o ultradźwiękowym odpowietrzaniu i odgazowywaniu cieczy!

Ponieważ technologia dyspergowania ultradźwiękowego może być stosowana na poziomie laboratoryjnym, stołowym i przemysłowym, pozwalając na przepustowość ponad 10 ton/godzinę, jest ona stosowana w R&D i w produkcji komercyjnej. Wyniki procesu można łatwo i liniowo skalować.

Urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są bardzo energooszczędne. Urządzenia te przekształcają ok. 80-90% elektrycznej mocy wejściowej w aktywność mechaniczną w cieczy. Prowadzi to do znacznie niższych kosztów przetwarzania.

Korzystając z poniższych linków, można dowiedzieć się więcej na temat wykorzystania wysokowydajnych ultradźwięków do

• emulgowanie polimerów w układach wodnych,
• Dyspergowanie i dokładne mielenie pigmentów,
• i redukcja rozmiaru nanomateriałów.

Polimeryzacja emulsyjna z wykorzystaniem sonikacji

Tradycyjne receptury powłok wykorzystują podstawową chemię polimerów. Przejście na technologię powłok na bazie wody ma wpływ na wybór surowców, właściwości i metodologie formułowania.

W konwencjonalnej polimeryzacji emulsyjnej, np. w przypadku powłok wodorozcieńczalnych, cząstki są budowane od środka do ich powierzchni. Czynniki kinetyczne wpływają na jednorodność i morfologię cząstek.

Przetwarzanie ultradźwiękowe może być stosowane na dwa sposoby generowania emulsji polimerowych.

• top-down: emulgacja/Dyspersacja większych cząstek polimeru w celu wytworzenia mniejszych cząstek poprzez redukcję rozmiaru
• oddolny: Zastosowanie ultradźwięków przed lub w trakcie polimeryzacji cząstek

 

 

Nanocząsteczkowe polimery w miniemulsjach

Polimeryzacja cząstek w miniemulsjach pozwala na wytwarzanie zdyspergowanych cząstek polimerowych z dobrą kontrolą wielkości cząstek. Synteza nanocząstek polimerowych w miniemulsjach (znanych również jako nanoreaktory), przedstawiona przez K. Landfestera (2001), jest doskonałą metodą tworzenia nanocząstek polimerowych. Podejście to wykorzystuje dużą liczbę małych nanoprzedziałów (faza rozproszona) w emulsji jako nanoreaktory. Cząstki są w nich syntetyzowane w sposób wysoce równoległy w pojedynczych, ograniczonych kropelkach. W swoim artykule Landfester (2001) przedstawia polimeryzację w nanoreaktorach o wysokiej perfekcji w celu wytworzenia wysoce identycznych cząstek o niemal jednolitym rozmiarze. Powyższy obraz przedstawia cząstki otrzymane przez poliaddycję wspomaganą ultradźwiękami w miniemulsjach.

Małe kropelki generowane przez zastosowanie wysokiego ścinania (ultradźwięki) i stabilizowane przez środki stabilizujące (emulgatory), mogą być utwardzane przez późniejszą polimeryzację lub przez obniżenie temperatury w przypadku materiałów topiących się w niskiej temperaturze. Ponieważ ultradźwięki mogą wytwarzać bardzo małe kropelki o prawie jednolitym rozmiarze w procesie wsadowym i produkcyjnym, pozwala to na dobrą kontrolę nad ostatecznym rozmiarem cząstek. W przypadku polimeryzacji nanocząstek, monomery hydrofilowe mogą być emulgowane w fazie organicznej, a monomery hydrofobowe w wodzie.

Zmniejszając rozmiar cząstek, jednocześnie zwiększa się ich całkowita powierzchnia. Rysunek po lewej stronie pokazuje korelację między rozmiarem cząstek a ich polem powierzchni w przypadku cząstek sferycznych. Dlatego ilość środka powierzchniowo czynnego potrzebnego do stabilizacji emulsji wzrasta niemal liniowo wraz z całkowitą powierzchnią cząstek. Rodzaj i ilość środka powierzchniowo czynnego wpływa na wielkość kropli. Kropelki o wielkości od 30 do 200 nm można uzyskać przy użyciu anionowych lub kationowych środków powierzchniowo czynnych.

Pigmenty w powłokach

Pigmenty organiczne i nieorganiczne są ważnym składnikiem preparatów powłokowych. Aby zmaksymalizować wydajność pigmentu, konieczna jest dobra kontrola wielkości cząstek. Podczas dodawania proszku pigmentowego do systemów wodorozcieńczalnych, rozpuszczalnikowych lub epoksydowych, poszczególne cząstki pigmentu mają tendencję do tworzenia dużych aglomeratów. Mechanizmy wysokiego ścinania, takie jak mieszalniki rotor-stator lub młyny perełkowe z mieszadłem, są konwencjonalnie stosowane do rozbijania takich aglomeratów i rozdrabniania poszczególnych cząstek pigmentu. Ultradźwięki są niezwykle skuteczną alternatywą dla tego etapu produkcji powłok.

Poniższe wykresy pokazują wpływ sonikacji na wielkość pigmentu perłowego. Ultradźwięki rozdrabniają poszczególne cząstki pigmentu poprzez szybkie zderzenia międzycząsteczkowe. Istotną zaletą ultradźwięków jest duży wpływ kawitacyjnych sił ścinających, co sprawia, że stosowanie środków mielących (np. kulek, pereł) nie jest konieczne. Ponieważ cząstki są przyspieszane przez ekstremalnie szybkie strumienie cieczy o prędkości do 1000 km / h, zderzają się gwałtownie i rozbijają na małe kawałki. Ścieranie cząstek nadaje ultradźwiękowo zmielonym cząstkom gładką powierzchnię. Ogólnie rzecz biorąc, frezowanie ultradźwiękowe i dyspersja skutkują drobnym rozmiarem i równomiernym rozkładem cząstek.

 

Ultradźwiękowe mielenie i dyspergowanie często przewyższa mieszalniki o dużej prędkości i młyny medialne, ponieważ sonikacja zapewnia bardziej spójne przetwarzanie wszystkich cząstek. Ogólnie rzecz biorąc, ultradźwięki wytwarzają mniejsze rozmiary cząstek i wąski rozkład wielkości cząstek (krzywe mielenia pigmentu). Poprawia to ogólną jakość dyspersji pigmentów, ponieważ większe cząstki zazwyczaj zakłócają zdolność przetwarzania, połysk, odporność i wygląd optyczny.

Ponieważ mielenie i rozdrabnianie cząstek opiera się na zderzeniach międzycząsteczkowych w wyniku kawitacji ultradźwiękowej, reaktory ultradźwiękowe mogą obsługiwać dość wysokie stężenia ciał stałych (np. partie wzorcowe) i nadal dają dobre efekty redukcji wielkości. Poniższa tabela przedstawia zdjęcia z mielenia TiO2 na mokro.

Poniższy wykres przedstawia krzywe rozkładu wielkości cząstek dla deaglomeracji anatazowego dwutlenku tytanu Degussa za pomocą ultradźwięków. Wąski kształt krzywej po sonikacji jest typową cechą obróbki ultradźwiękowej.

Materiały nanorozmiarowe w powłokach o wysokiej wydajności

Nanotechnologia jest wschodzącą technologią, która wkracza do wielu gałęzi przemysłu. Nanomateriały i nanokompozyty są stosowane w formułach powłok, np. w celu zwiększenia odporności na ścieranie i zarysowania lub odporności na promieniowanie UV. Największym wyzwaniem dla aplikacji w powłokach jest zachowanie przejrzystości, klarowności i połysku. Dlatego nanocząstki muszą być bardzo małe, aby uniknąć interferencji z widzialnym spektrum światła. W przypadku wielu zastosowań jest to znacznie mniej niż 100 nm.

Mielenie na mokro wysokowydajnych komponentów do nanometrów staje się kluczowym krokiem w tworzeniu powłok nanoinżynieryjnych. Wszelkie cząstki, które zakłócają światło widzialne, powodują zamglenie i utratę przejrzystości. Dlatego wymagane są bardzo wąskie rozkłady wielkości. Ultradźwięki są bardzo skutecznym środkiem do drobnego mielenia ciał stałych. Kawitacja ultradźwiękowa / akustyczna w cieczach powoduje zderzenia międzycząsteczkowe o dużej prędkości. W odróżnieniu od konwencjonalnych młynów perełkowych i młynów żwirowych, same cząstki rozdrabniają się nawzajem, dzięki czemu media mielące nie są potrzebne.

Firmy, takie jak Panadur (Niemcy) wykorzystują ultradźwięki Hielscher do dyspergowania i deaglomeracji nanomateriałów w powłokach w formie. Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o dyspersji ultradźwiękowej powłok w formach!

Do sonikacji łatwopalnych cieczy lub rozpuszczalników w niebezpiecznych środowiskach dostępne są procesory z certyfikatem ATEX. Dowiedz się więcej o ultrasonografie UIP1000-Exd z certyfikatem Atex!