Ultradźwięki w opracowywaniu receptur powłok

W recepturach powłok i farb wykorzystuje się różne składniki, takie jak pigmenty, wypełniacze, dodatki chemiczne, środki sieciujące i modyfikatory reologii. Ultradźwięki są skutecznym sposobem dyspergowania i emulgowania, deaglomeracji oraz mielenia takich składników w powłokach.

Ultradźwięki stosuje się przy opracowywaniu receptur powłok do:

• emulgowania polimerów w układach wodnych
• dyspergowania i drobnego mielenia pigmentów
• zmniejszania rozmiarów nanomateriałów w powłokach o wysokich parametrach użytkowych

Powłoki dzielą się na dwie szerokie kategorie: żywice i powłoki na bazie wody oraz na bazie rozpuszczalników. Każdy typ wiąże się z własnymi wyzwaniami. Wytyczne nakazujące ograniczenie lotnych związków organicznych (VOC) oraz wysokie ceny rozpuszczalników stymulują rozwój technologii powłok na bazie żywic wodnych. Zastosowanie sonikacji może poprawić właściwości użytkowe takich przyjaznych dla środowiska układów.

Udoskonalanie receptur powłok dzięki sonikacji

Ultradźwięki mogą pomóc twórcom receptur powłok architektonicznych, przemysłowych, samochodowych i do drewna poprawić właściwości powłok, takie jak siła barwienia, odporność na zarysowania, pękanie i promieniowanie UV lub przewodność elektryczna. Niektóre z tych właściwości powłok uzyskuje się przez dodanie materiałów o rozmiarach nanometrycznych, np. tlenków metali (TiO₂, krzemionka, tlenek ceru, ZnO, …).

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

Technologię dyspergowania ultradźwiękowego można stosować w skali laboratoryjnej, na urządzeniach stołowych oraz w produkcji przemysłowej, uzyskując wydajność przetwarzania przekraczającą 10 ton/godzinę, dlatego wykorzystuje się ją na etapie badań i rozwoju oraz w produkcji komercyjnej. Wyniki procesu można łatwo i liniowo przenosić na większą skalę.

Urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są bardzo energooszczędne. Urządzenia przekształcają około 80 do 90% wejściowej mocy elektrycznej w działanie mechaniczne w cieczy. Prowadzi to do znacznie niższych kosztów przetwarzania.

Korzystając z poniższych linków, można dowiedzieć się więcej o zastosowaniu ultradźwięków o wysokiej mocy do

• emulgowania polimerów w układach wodnych,
• dyspergowania i drobnego mielenia pigmentów,
• oraz zmniejszania rozmiarów nanomateriałów.

Polimeryzacja emulsyjna z wykorzystaniem sonikacji

Tradycyjne receptury powłok wykorzystują podstawy chemii polimerów. Przejście na technologię powłok na bazie wody wpływa na dobór surowców, właściwości i metody opracowywania receptur.

W konwencjonalnej polimeryzacji emulsyjnej, np. w przypadku powłok na bazie wody, cząstki powstają od środka ku powierzchni. Czynniki kinetyczne wpływają na jednorodność i morfologię cząstek.

Obróbkę ultradźwiękową można wykorzystywać na dwa sposoby do wytwarzania emulsji polimerowych.

• Od góry do dołu: Emulgowanie/dyspergowanie większych cząstek polimeru w celu wytworzenia mniejszych cząstek poprzez zmniejszenie ich rozmiarów
• Od dołu do góry: Zastosowanie ultradźwięków przed polimeryzacją cząstek lub w jej trakcie

 

W tym filmie przedstawiamy układ ultradźwiękowy o mocy 2 kilowatów do pracy przepływowej, umieszczony w szafie z przedmuchem. Hielscher dostarcza urządzenia ultradźwiękowe do niemal wszystkich gałęzi przemysłu, w tym chemicznego, farmaceutycznego i kosmetycznego, a także do procesów petrochemicznych oraz ekstrakcji z użyciem rozpuszczalników. Ta szafa ze stali nierdzewnej z możliwością przedmuchu jest przeznaczona do pracy w strefach zagrożonych wybuchem. W tym celu klient może przedmuchiwać szczelną szafę azotem lub świeżym powietrzem, aby zapobiec przedostawaniu się do jej wnętrza łatwopalnych gazów lub par.

 

Polimery w postaci nanocząstek w miniemulsjach

Polimeryzacja cząstek w miniemulsjach umożliwia wytwarzanie zdyspergowanych cząstek polimeru z dobrą kontrolą ich rozmiarów. Synteza nanocząstek polimerowych w miniemulsjach (znanych również jako nanoreaktory), przedstawiona przez K. Landfester (2001), jest doskonałą metodą wytwarzania nanocząstek polimerowych. Podejście to wykorzystuje dużą liczbę małych nanoprzedziałów (fazy rozproszonej) w emulsji jako nanoreaktory. Cząstki są w nich syntetyzowane w wysoce równoległy sposób, w poszczególnych kroplach o ograniczonej objętości. W swojej pracy Landfester (2001) przedstawia polimeryzację w nanoreaktorach o wysokim stopniu doskonałości, służącą wytwarzaniu bardzo podobnych do siebie cząstek o niemal jednakowym rozmiarze. Powyższy obraz przedstawia cząstki otrzymane w wyniku poliaddycji wspomaganej ultradźwiękami w miniemulsjach.

Małe krople wytworzone przez zastosowanie intensywnego ścinania (sonikacji) i stabilizowane środkami stabilizującymi (emulgatorami) można utwardzić przez późniejszą polimeryzację lub przez obniżenie temperatury w przypadku materiałów o niskiej temperaturze topnienia. Ponieważ sonikacja może wytwarzać bardzo małe krople o niemal jednakowym rozmiarze w procesach okresowych i produkcyjnych, umożliwia dobrą kontrolę końcowego rozmiaru cząstek. W celu polimeryzacji nanocząstek monomery hydrofilowe można emulgować w fazie organicznej, a monomery hydrofobowe w wodzie.

Przy zmniejszaniu rozmiaru cząstek jednocześnie zwiększa się ich całkowita powierzchnia. Obraz po lewej stronie przedstawia zależność między rozmiarem cząstek a powierzchnią w przypadku cząstek kulistych. Dlatego ilość środka powierzchniowo czynnego potrzebna do stabilizacji emulsji wzrasta niemal liniowo wraz z całkowitą powierzchnią cząstek. Rodzaj i ilość środka powierzchniowo czynnego wpływają na rozmiar kropli. Stosując anionowe lub kationowe środki powierzchniowo czynne, można uzyskać krople o rozmiarach od 30 do 200nm.

Pigmenty w powłokach

Pigmenty organiczne i nieorganiczne są ważnym składnikiem receptur powłok. Aby zmaksymalizować właściwości użytkowe pigmentów, potrzebna jest dobra kontrola rozmiarów cząstek. Podczas dodawania pigmentu w proszku do układów na bazie wody, rozpuszczalników lub żywic epoksydowych poszczególne cząstki pigmentu mają tendencję do tworzenia dużych aglomeratów. Do rozbijania takich aglomeratów i rozdrabniania poszczególnych cząstek pigmentu tradycyjnie stosuje się mechanizmy intensywnego ścinania, takie jak mieszalniki rotor–stator lub młyny kulkowe z mieszadłem. Sonikacja stanowi niezwykle skuteczną alternatywę na tym etapie wytwarzania powłok.

Poniższe wykresy przedstawiają wpływ sonikacji na rozmiar cząstek pigmentu o połysku perłowym. Ultradźwięki rozdrabniają poszczególne cząstki pigmentu poprzez zderzenia między cząstkami zachodzące z dużą prędkością. Szczególną zaletą sonikacji jest silne działanie kawitacyjnych sił ścinających, dzięki któremu stosowanie mediów mielących (np. kulek, perełek) staje się zbędne. Ponieważ cząstki są przyspieszane przez niezwykle szybkie strugi cieczy o prędkości do 1000km/hr, zderzają się gwałtownie i rozpadają na małe fragmenty. Ścieranie cząstek nadaje cząstkom mielonym ultradźwiękowo gładką powierzchnię. Ogólnie rzecz biorąc, mielenie i dyspergowanie ultradźwiękowe prowadzą do uzyskania drobnych cząstek o równomiernym rozkładzie rozmiarów.

 

Ultradźwiękowe mielenie i dyspergowanie często przewyższają mieszalniki wysokoobrotowe i młyny z mediami mielącymi, ponieważ sonikacja zapewnia bardziej równomierną obróbkę wszystkich cząstek. Zasadniczo sonikacja pozwala uzyskać mniejsze rozmiary cząstek i wąski rozkład ich rozmiarów (krzywe mielenia pigmentów). Poprawia to ogólną jakość dyspersji pigmentów, ponieważ większe cząstki zazwyczaj niekorzystnie wpływają na zdolność do przetwarzania, połysk, odporność i wygląd optyczny.

Ponieważ mielenie i rozdrabnianie cząstek opierają się na zderzeniach między cząstkami wywołanych kawitacją ultradźwiękową, reaktory ultradźwiękowe mogą przetwarzać układy o dość wysokim stężeniu substancji stałych (np. koncentraty), a mimo to zapewniać dobre efekty zmniejszania rozmiarów cząstek. Poniższa tabela przedstawia obrazy mielenia TiO2 na mokro.

Poniższy wykres przedstawia krzywe rozkładu rozmiarów cząstek podczas deaglomeracji dwutlenku tytanu Degussa w odmianie anatazu za pomocą sonikacji. Wąski kształt krzywej po sonikacji jest typową cechą obróbki ultradźwiękowej.

Materiały o rozmiarach nanometrycznych w powłokach o wysokich parametrach użytkowych

Nanotechnologia jest rozwijającą się technologią, która znajduje zastosowanie w wielu branżach. Nanomateriały i nanokompozyty są wykorzystywane w recepturach powłok, np. w celu zwiększenia odporności na ścieranie i zarysowania lub stabilności wobec promieniowania UV. Największym wyzwaniem przy stosowaniu ich w powłokach jest zachowanie przezroczystości, klarowności i połysku. Dlatego nanocząstki muszą być bardzo małe, aby uniknąć oddziaływania ze światłem w zakresie widzialnym. W wielu zastosowaniach wymagany rozmiar jest znacznie mniejszy niż 100nm.

Mielenie na mokro składników o wysokich parametrach użytkowych do rozmiarów nanometrycznych staje się kluczowym etapem opracowywania receptur powłok projektowanych z wykorzystaniem nanotechnologii. Wszelkie cząstki oddziałujące ze światłem widzialnym powodują zmętnienie i utratę przezroczystości. Dlatego wymagane są bardzo wąskie rozkłady rozmiarów. Sonikacja jest bardzo skutecznym sposobem drobnego mielenia substancji stałych. Kawitacja ultradźwiękowa / akustyczna w cieczach powoduje zderzenia między cząstkami zachodzące z dużą prędkością. W odróżnieniu od konwencjonalnych młynów kulkowych i młynów otoczakowych cząstki same rozdrabniają się wzajemnie, dzięki czemu media mielące stają się zbędne.

Firmy takie jak Panadur (Niemcy) wykorzystują sonikatory Hielscher do dyspergowania i deaglomeracji nanomateriałów w powłokach nakładanych w formie. Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowym dyspergowaniu powłok nakładanych w formie!

Do sonikacji łatwopalnych cieczy lub rozpuszczalników w środowiskach zagrożonych wybuchem dostępne są procesory z certyfikatem ATEX. Dowiedz się więcej o sonikatorze UIP1000-Exd z certyfikatem ATEX!