Formulacje klejów o wysokich parametrach użytkowych – ulepszone dzięki dyspergowaniu ultradźwiękowemu

Kleje o wysokich parametrach użytkowych powstają z układów epoksydowych, silikonowych, poliuretanowych, polisiarczkowych lub akrylowych zawierających różne (nano-)wypełniacze i dodatki, które nadają klejom szczególne właściwości, takie jak wytrzymałość połączenia, mała masa, trwałość, odporność na ciepło i zrównoważony charakter. Opracowanie formulacji klejów o wysokich parametrach użytkowych wymaga wydajnego i niezawodnego mieszania. Dyspergowanie i emulgowanie ultradźwiękowe służą do równomiernego łączenia różnych składników w jednorodne mieszaniny klejowe. Sonikacja w linii niezawodnie i skutecznie miesza nawet materiały o wysokiej lepkości i dużej zawartości nanowypełniaczy, pozwalając uzyskać kleje o doskonałych właściwościach.

Duże ultradźwiękowe siły ścinające do dyspergowania klejów o wysokich parametrach użytkowych

Kleje o wysokich parametrach użytkowych zapewniają wyjątkową wytrzymałość połączenia, trwałość i małą masę. W zależności od końcowego zastosowania polimery, kopolimery i liczne dodatki łączy się według szczegółowo opracowanych receptur.

Układy epoksydowe, silikonowe, poliuretanowe i akrylowe przeznaczone do klejów i substancji klejących są produkowane przez specjalistów opracowujących formulacje, którzy modyfikują bazę kleju poprzez dodawanie środków zwiększających kleistość, wypełniaczy mineralnych (talku, krzemionki, tlenku glinu itp.), środków uelastyczniających, środków obniżających lepkość, barwników, zagęstników, przyspieszaczy, promotorów adhezji itp. Modyfikacje te służą różnym celom, takim jak poprawa właściwości użytkowych i/lub ułatwienie przetwarzania albo obniżenie kosztów. Dyspergatory ultradźwiękowe wytwarzające duże siły ścinające idealnie nadają się do sporządzania różnych układów epoksydowych w linii i umożliwiają elastyczną produkcję klejów dostosowanych do wymagań konkretnych zastosowań.

Mieszalniki ultradźwiękowe wytwarzające duże siły ścinające do wymagających zastosowań w dyspergowaniu i emulgowaniu

Wysokowydajne procesory ultradźwiękowe działają jak mieszalniki wytwarzające duże siły ścinające. Ekstremalnie duże siły ścinające są generowane przez kawitację ultradźwiękową / akustyczną i idealnie nadają się do emulgowania, dyspergowania, mielenia, deaglomeracji i homogenizacji w trybie wsadowym i w linii. Dyspergatory ultradźwiękowe pracujące w linii umożliwiają łatwe przetwarzanie materiałów o stężeniach substancji stałych i lepkościach od niskich do wysokich.

Ultradźwiękowe mieszanie nanomateriałów w klejach z zastosowaniem dużych sił ścinających

Nanomateriały, takie jak nanorurki węglowe (CNTs), nanocząstki metali, nanokrzemionka, nanoglinki, nanowłókna i wiele innych cząstek o rozmiarach nanometrycznych, stosuje się do wytwarzania polimerów wzmacnianych nanomateriałami (nanokompozytów). Nanocząstki są dobrze znane ze swojej zdolności do zmiany właściwości mechanicznych (np. sztywności, elastyczności), elektrycznych (np. przewodności), funkcjonalnych (np. przepuszczalności, temperatury zeszklenia, modułu) oraz odporności na pękanie klejów na bazie polimerów termoutwardzalnych. Nanomateriały nie tylko nadają szczególne, wysokie parametry użytkowe, takie jak wytrzymałość połączenia, trwałość, conduciveness, elastyczność czy odporność na ciepło; dodatek cząstek o nanostrukturze może również poprawić właściwości barierowe polimerów.
Duże siły ścinające powstające wskutek kawitacji akustycznej generowanej ultradźwiękowo są dobrze znane ze swojej zdolności do deaglomeracji i dyspergowania nanocząstek, a nawet do rozdrabniania cząstek pierwotnych (tj. mielenia ultradźwiękowego). Zastosowanie tych sił ultradźwiękowych do układów polimerowych zawierających nanocząstki i inne wypełniacze pozwala uzyskać bardzo jednorodną formulację. Dyspergowanie ultradźwiękowe jest metodą energooszczędną, wykazującą mniejsze zużycie energii w porównaniu z konwencjonalnymi metodami mieszania z wykorzystaniem sił ścinających, takimi jak mieszalniki łopatkowe wytwarzające duże siły ścinające, mieszalniki wirnikowe czy młyny.

Film przedstawia ultradźwiękowe mieszanie i dyspergowanie grafitu w 250mL żywicy epoksydowej (Toolcraft L) za pomocą homogenizatora ultradźwiękowego (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics produkuje urządzenia do dyspergowania grafitu, grafenu, nanorurek węglowych, nanodrutów lub wypełniaczy w laboratorium oraz w procesach produkcji wielkoseryjnej. Typowe zastosowania obejmują dyspergowanie nanomateriałów i mikromateriałów podczas funkcjonalizacji lub wprowadzania ich do żywic bądź polimerów.

Kaboori i in. (2013) wykazali, że sonikacja jest skuteczną metodą dyspergowania warstwowych struktur montmorylonitu (MMT) i opracowywania klejów PVA wzmacnianych MMT. Wykazano, że sonikacja jest niezawodna i wydajna w dyspergowaniu nanoglinki w PVA zarówno przy niskiej (1% i 2%), jak i wysokiej (4%) zawartości.
Zespół badawczy stwierdził, że „technika ultradźwiękowa jest bardzo wydajna w dyspergowaniu nanoglinki, zwłaszcza przy wysokiej zawartości, w przeciwieństwie do szybkoobrotowego mieszalnika wytwarzającego duże siły ścinające. Mieszanie szybkoobrotowe umożliwiało dyspergowanie nanoglinki w PVA tylko przy niskiej zawartości i zwiększało wytrzymałość połączenia uzyskiwanego za pomocą PVA w różnych warunkach. Mieszanie szybkoobrotowe ma pewne wady: możliwość uszkodzenia emulsji PVA (z powodu dużej siły ścinającej stosowanej podczas mieszania), wysokie koszty i wysokie zużycie energii. Natomiast technika sonikacji ma minimalny negatywny wpływ na emulsję PVA. Ponadto technika sonikacji jest ekonomiczna, ponieważ mieszanie ultradźwiękowe mogłoby odbywać się przed produkcją PVA, a roztwór zawierający nanoglinkę można dodawać do PVA podczas procesu produkcyjnego. Biorąc pod uwagę wyniki uzyskane w tej pracy i w naszej poprzedniej pracy oraz zalety techniki sonikacji w porównaniu z mieszaniem szybkoobrotowym, dodawanie nanoglinki do PVA na skalę przemysłową wydaje się wykonalne i może być zalecane producentom klejów do drewna”. (Kaboori i in., 2013)

Efekty odgazowania ultradźwiękowego w produkcji klejów

Dodatkową zaletą sonikacji, która znacząco poprawia wyniki sporządzania formulacji, jest efekt odgazowania wywołany obróbką ultradźwiękową. Szybkoobrotowe mieszanie mechaniczne (np. za pomocą mieszalników łopatkowych wytwarzających duże siły ścinające) powoduje powstawanie dużej liczby pęcherzyków gazu w mieszaninie, co w niektórych przypadkach można nawet zauważyć na podstawie rozjaśnienia jej barwy. Ogromną zaletą ultradźwiękowego mieszania z zastosowaniem dużych sił ścinających jest to, że technika sonikacji nie wprowadza gazów do formulacji kleju; zamiast tego fale ultradźwiękowe wymuszają łączenie się już obecnych pęcherzyków gazu i ich unoszenie się na powierzchnię cieczy, skąd gaz można łatwo usunąć. W ten sposób sonikacja wspomaga odgazowanie i odpowietrzanie cieczy oraz formulacji klejów. (por. Shadlou i in., 2014)

Wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do przemysłowych formulacji klejów

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do pracy w wymagających warunkach, np. przy wytwarzaniu klejów o wysokich parametrach użytkowych, żywic o dużej zawartości wypełniaczy i nanokompozytów. Sonikatory Hielscher są stosowane na całym świecie do dyspergowania nanomateriałów w polimerach, żywicach, powłokach i innych materiałach o wysokich parametrach użytkowych.
Dyspergatory ultradźwiękowe Hielscher można zasilać różnymi strumieniami doprowadzającymi różne materiały do strefy mieszania kawitacyjnego w kontrolowanych warunkach przepływu. Dyspergatory ultradźwiękowe niezawodnie i wydajnie przetwarzają materiały o lepkościach od niskich do wysokich. Intensywność ultradźwięków można precyzyjnie regulować w zależności od surowców i docelowego stopnia zmniejszenia rozmiaru cząstek.
Aby przetwarzać lepkie pasty polimerowe, nanomateriały i materiały o wysokim stężeniu substancji stałych, dyspergator ultradźwiękowy musi być zdolny do ciągłego generowania wysokich amplitud. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy podczas pracy ciągłej przy pełnym obciążeniu. Amplitudy do 200µm można łatwo utrzymywać podczas pracy w trybie 24/7. Możliwość pracy dyspergatora ultradźwiękowego przy wysokich amplitudach oraz precyzyjnej regulacji amplitudy jest niezbędna do dostosowania warunków procesu ultradźwiękowego do sporządzania formulacji klejów o wysokich parametrach użytkowych, mieszanin polimerowych wzmacnianych nanomateriałami i nanokompozytów.
Oprócz amplitudy ultradźwięków kolejnym bardzo ważnym parametrem procesu jest ciśnienie. Przy podwyższonym ciśnieniu wzrasta intensywność kawitacji ultradźwiękowej i jej sił ścinających. Reaktory ultradźwiękowe Hielscher mogą pracować pod ciśnieniem, co pozwala uzyskać intensywniejsze efekty sonikacji.
Monitorowanie procesu i rejestrowanie danych są ważne dla ciągłej standaryzacji procesu i jakości produktu. Podłączane czujniki ciśnienia i temperatury łączy się przewodowo z generatorem ultradźwiękowym w celu monitorowania i kontrolowania procesu dyspergowania ultradźwiękowego. Wszystkie ważne parametry przetwarzania, takie jak energia ultradźwiękowa (netto + całkowita), temperatura, ciśnienie i czas, są automatycznie rejestrowane i zapisywane na wbudowanej karcie SD. Dostęp do automatycznie zarejestrowanych danych procesowych umożliwia przeglądanie wcześniejszych przebiegów sonikacji i ocenę wyników procesu.
Kolejną przyjazną dla użytkownika funkcją jest zdalne sterowanie naszymi cyfrowymi systemami ultradźwiękowymi za pomocą przeglądarki. Dzięki zdalnemu sterowaniu przez przeglądarkę można z dowolnego miejsca uruchamiać, zatrzymywać, regulować i monitorować procesor ultradźwiękowy.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby dowiedzieć się więcej o naszych wysokowydajnych dyspergatorach ultradźwiękowych i ich zastosowaniach w produkcji klejów i powłok o wysokich parametrach użytkowych!
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

---

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.