Jak mieszać lakiery z nanowypełniaczami?

Produkcja lakierów wymaga wydajnego sprzętu mieszającego, który może obsługiwać nanocząstki i pigmenty, które muszą być równomiernie rozproszone w preparacie. Homogenizatory ultradźwiękowe są wysoce wydajną i niezawodną techniką dyspergowania, która zapewnia jednorodny rozkład nanocząstek w polimerach.

Produkcja lakierów za pomocą wysokowydajnych mieszalników ultradźwiękowych

Lakier jest opisywany jako przezroczysta, twarda powłoka ochronna lub folia, która składa się z żywic (np. akrylowych, poliuretanowych, alkidowych, szelakowych), oleju suszącego, suszarki do metalu i lotnych rozpuszczalników (np. benzyny lakowej, spirytusu mineralnego lub rozcieńczalnika). Gdy lakier wysycha, zawarty w nim rozpuszczalnik odparowuje, a pozostałe składniki utleniają się lub polimeryzują, tworząc trwałą, przezroczystą powłokę. Lakiery są najczęściej stosowane jako powłoki ochronne do powierzchni drewnianych, obrazów i różnych przedmiotów dekoracyjnych, podczas gdy lakiery utwardzane promieniami UV są stosowane w powłokach samochodowych, kosmetykach, żywności, nauce i innych gałęziach.

Dyspersja ultradźwiękowa nanokrzemionki w lakierze

Powszechnym przykładem dyspergowania ultradźwiękowego jest włączenie koloidalnych krzemionek, które są zwykle dodawane w celu nadania lakierom właściwości tiksotropowych.
Na przykład lakier polieteroimidowy wypełniony nanokrzemionką wykazuje nawet trzydziestokrotnie dłuższą żywotność niż lakier standardowy. Nanokrzemionka poprawia właściwości lakieru, takie jak przewodność elektryczna, wytrzymałość dielektryczna DC i AC oraz siła wiązania. Dyspergatory ultradźwiękowe są zatem szeroko stosowane do produkcji powłok przewodzących prąd elektryczny.
Inne minerały krzemianowe, wollastonit, talk, mika, kaolin, skaleń i sjenit nefelinowy są tanimi wypełniaczami i są szeroko stosowane jako tak zwane pigmenty wypełniające, które są dodawane w celu modyfikacji reologii (lepkości), stabilności sedymentacji i wytrzymałości powłoki w powłokach.

Badania potwierdziły wyższość ultradźwiękowców do dyspersji nanowypełniaczy

Monteiro et al. (2014) porównali popularne technologie rozpraszające – a mianowicie mieszalnik wirnik-stojan, wirnik Cowlesa i dyspergator ultradźwiękowy z sondą – w odniesieniu do ich skuteczności w dyspergowaniu dwutlenku tytanu (TiO2, anataz). Ultradźwięki okazały się najbardziej skuteczne w rozpraszaniu nanocząstek w wodzie przy użyciu konwencjonalnego polielektrolitu Na-PAA i znacznie przewyższały mieszanie z wirnikiem-stojanem lub wirnikiem Cowlesa.
Szczegóły badania: Porównano różne techniki dyspergowania w celu zidentyfikowania najbardziej skutecznej w tworzeniu dobrze zdeaglomerowanej wodnej zawiesiny nano-TiO2. Jako dyspergator referencyjny zastosowano sól sodową kwasu poliakrylowego (Na-PAA), konwencjonalnie stosowaną w przemyśle do wodnych dyspersji TiO2. Rys. 1 przedstawia objętościowe rozkłady wielkości cząstek (PSD) uzyskane przy użyciu dyspergatora Cowlesa (30 min przy 2000 obr./min), mieszalnika rotor-stator (30 min przy 14000 obr./min) i ultradźwięków typu sondy (Hielscher UIP1000hdT, 2 min przy 50% amplitudzie). “Przy użyciu dyspergatora Cowlesa rozmiary cząstek mieściły się w trzech różnych zakresach: 40-100 nm, 350-1000 nm i 1200-4000 nm. Większe aglomeraty wyraźnie zdominowały rozkład, pokazując, że ta technika jest nieefektywna. Rotor-stator również zapewnił niezadowalające wyniki, niezależnie od tego, czy nanocząstki były dodawane od razu, czy stopniowo w czasie mieszania. Główna różnica zaobserwowana w wynikach Cowlesa jest związana z przesunięciem środkowego piku do większego rozmiaru cząstek, częściowo łączącego się z prawym szczytem. Z drugiej strony, zastosowanie ultradźwięków dało znacznie lepszy wynik, z wąskim pikiem wyśrodkowanym na 0,1 nm i dwoma znacznie mniejszymi w zakresach 150-280 nm i 380-800 nm.”

Rozkłady wielkości cząstek wodnych dyspersji nano-TiO2 (10mgmL-1, pH = 9) przygotowanych przy użyciu różnych technik dyspersji. Ultradźwięki dają najmniejsze nanocząstki TiO2 i najwęższe krzywe redukcji wielkości cząstek. Gdy zastosowano dyspergator (Na-PAA), stosunek do nano-TiO2 wynosił 1:1.
(badanie i grafika: © Monteiro et al., 2014)

Suszony rozpyłowo TiO2 przed i po mieleniu ultradźwiękowym

Wynik ten zgadza się z pracą Sato et al. (2008), zgłaszając lepsze wyniki z ultradźwiękami niż z innymi technikami rozpraszania nanoziarnistych cząstek TiO2 w wodzie. Fale uderzeniowe wytwarzane przez kawitację akustyczną / ultradźwiękową prowadzą do bardzo intensywnych zderzeń międzycząsteczkowych oraz skutecznego mielenia cząstek i deaglomeracji do jednolitych fragmentów w skali nano.
(por. Monteiro et al., 2014)

Wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do produkcji lakierów

Gdy nanocząstki i nanonapełniacze są stosowane w przemysłowych procesach produkcyjnych, takich jak produkcja lakierów i powłok, suchy proszek musi być jednorodnie wymieszany z fazą ciekłą. Dyspersja nanocząstek wymaga niezawodnej i skutecznej techniki mieszania, która stosuje wystarczającą ilość energii do rozbicia aglomeratów w celu uwolnienia właściwości cząstek w skali nano. Ultradźwięki są dobrze znane jako potężne i niezawodne dyspergatory, dlatego też są wykorzystywane do deaglomeracji i dystrybucji różnych materiałów, takich jak krzemionka, nanorurki, grafen, minerały i wiele innych materiałów jednorodnie w fazie ciekłej, takich jak żywice, epoksydy i pigmenty. Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do wszelkiego rodzaju zastosowań homogenizacji i deaglomeracji.
Jeśli chodzi o produkcję nanodyspersji, precyzyjna kontrola sonikacji i niezawodna obróbka ultradźwiękowa zawiesiny nanocząstek są niezbędne w celu uzyskania produktów o wysokiej wydajności. Procesory firmy Hielscher Ultrasonics zapewniają pełną kontrolę nad wszystkimi ważnymi parametrami przetwarzania, takimi jak pobór energii, intensywność ultradźwięków, amplituda, ciśnienie, temperatura i czas retencji. W ten sposób można dostosować parametry do zoptymalizowanych warunków, co prowadzi następnie do wysokiej jakości nanodyspersji, takich jak nanokrzemionka lub zawiesiny nano-TiO2.

Dla dowolnej objętości / pojemności: Hielscher oferuje ultradźwięki i szeroką gamę akcesoriów. Pozwala to na skonfigurowanie idealnego systemu ultradźwiękowego dla danego zastosowania i zdolności produkcyjnej. Od małych fiolek zawierających kilka mililitrów do strumieni o dużej objętości tysięcy galonów na godzinę, Hielscher oferuje odpowiednie rozwiązanie ultradźwiękowe dla Twojego procesu.
Wysoka lepkość: Ultradźwiękowe systemy inline z łatwością przetwarzają preparaty o konsystencji pasty, np. przedmieszki pigmentów, w których pigment jest równomiernie mieszany przy wysokim obciążeniu cząstkami w mieszaninie plastyfikatora, monomeru i polimeru.
Solidność: Nasze systemy ultradźwiękowe są solidne i niezawodne. Wszystkie ultrasonografy Hielscher są zbudowane do pracy w trybie 24/7/365 i wymagają bardzo niewielkiej konserwacji.
Przyjazność dla użytkownika: Opracowane oprogramowanie naszych urządzeń ultradźwiękowych umożliwia wstępny wybór i zapisywanie ustawień sonikacji w celu zapewnienia prostej i niezawodnej sonikacji. Intuicyjne menu jest łatwo dostępne za pośrednictwem cyfrowego kolorowego wyświetlacza dotykowego. Zdalne sterowanie przez przeglądarkę umożliwia obsługę i monitorowanie za pośrednictwem dowolnej przeglądarki internetowej. Automatyczna rejestracja danych zapisuje parametry procesu każdej sonikacji na wbudowanej karcie SD.
Doskonała wydajność energetyczna: W porównaniu z alternatywnymi technologiami dyspersji, ultradźwięki Hielscher wyróżniają się wyjątkową wydajnością energetyczną i doskonałymi wynikami w zakresie rozkładu wielkości cząstek.
Wysoka jakość & Solidność: Ultradźwięki Hielscher są znane ze swojej jakości, niezawodności i wytrzymałości. Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: