Jak mieszać lakiery z nanowypełniaczami

Produkcja lakierów wymaga wydajnego sprzętu mieszającego, który może obsługiwać nanocząstki i pigmenty, które muszą być jednolicie zdyspergowane w formule. Homogenizatory ultradźwiękowe są wysoce wydajną i niezawodną techniką dyspergowania, która zapewnia jednorodną dystrybucję nanocząstek w polimerach.

Produkcja lakieru za pomocą wysokowydajnych mieszalników ultradźwiękowych

Lakier jest opisywany jako bezbarwna, przezroczysta, twarda powłoka ochronna lub film, który jest tworzony z żywic (np. akrylowych, poliuretanowych, alkidowych, szelakowych), oleju suszącego, suszarki do metalu i lotnych rozpuszczalników (np. benzyny lakowej, benzyny mineralnej lub rozcieńczalnika). Kiedy 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 dla powierzchni drewnianych, obrazów i różnych przedmiotów dekoracyjnych, podczas gdy lakiery utwardzane promieniami UV są stosowane w lakierach samochodowych, kosmetykach, żywności, nauce i innych gałęziach.

Ultradźwiękowa dyspersja nanokrzemionki w lakierze

Częstym przykładem dyspergowania ultradźwiękowego jest wbudowywanie koloidalnych krzemionek, które są zwykle dodawane w celu nadania lakierom właściwości tiksotropowych.
Na przykład, lakier polietylenowy wypełniony nanokrzemionką wykazuje zwiększoną żywotność do trzydziestu razy w stosunku do lakieru standardowego. Nanokrzemionka poprawia właściwości lakieru, takie jak jego przewodność elektryczna, wytrzymałość dielektryczna DC i AC oraz wytrzymałość wiązania. Dyspergatory ultradźwiękowe są więc szeroko stosowane do produkcji powłok przewodzących prąd elektryczny.
Inne minerały krzemianowe, wollastonit, talk, mika, kaolin, skalenie i sjenit nefelinowy są tanimi wypełniaczami i szeroko stosowanymi pigmentami tzw. extenderami, które dodaje się w celu modyfikacji reologii (lepkości), stabilności sedymentacji i wytrzymałości filmu w powłokach.

Badania potwierdzają wyższość ultradźwiękowców w dyspersji nanowypełniaczy

Monteiro i inni (2014) porównali powszechnie stosowane technologie rozpraszające – a mianowicie mieszalnik wirnikowo-statorowy, wirnik Cowlesa i dyspergator ultradźwiękowy z sondą – pod względem ich skuteczności w dyspergowaniu dwutlenku tytanu (TiO2, anataz). Ultradźwięki okazały się najbardziej efektywne w dyspergowaniu nanocząstek w wodzie przy użyciu konwencjonalnego polielektrolitu Na-PAA i znacznie przewyższały mieszanie za pomocą rotora-statora lub wirnika Cowlesa.
Szczegóły badania: Porównano różne techniki dyspergowania w celu zidentyfikowania najbardziej efektywnej w tworzeniu dobrze zdezaglomerowanej zawiesiny wodnej nano-TiO2. Jako dyspergator referencyjny zastosowano sól sodową kwasu poliakrylowego (Na-PAA), konwencjonalnie używaną w przemyśle do dyspersji wodnych TiO2. Na rys. 1 przedstawiono objętościowe rozkłady wielkości cząstek (PSD) uzyskane przy zastosowaniu dyspergatora Cowlesa (30 min przy 2000 rpm), mieszalnika rotorowo-statorowego (30 min przy 14000 rpm) oraz ultradźwięków sondowych (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 oraz 1200-4000 nm. Większe aglomeraty wyraźnie dominują w rozkładzie, co pokazuje, że technika ta jest mało wydajna. Rotor-stator również dostarczył niezadowalających wyników, niezależnie od tego, czy nanocząstki były dodawane jednorazowo, czy stopniowo wzdłuż czasu mieszania. Zasadnicza różnica zaobserwowana w wyniku Cowlesa związana jest z przesunięciem środkowego piku w kierunku wyższych rozmiarów cząstek, częściowo zlewającego się z prawym-ostatnim pikiem. Natomiast zastosowanie ultradźwięków dało znacznie lepszy wynik, z wąskim pikiem skupionym przy 0,1 nm oraz 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 dyspergowania. Ultrakonizacja daje najmniejsze nanocząstki TiO2 i najwęższe krzywe redukcji wielkości cząstek. W przypadku zastosowania dyspergatora (Na-PAA) stosunek do nano-TiO2 wynosił 1:1.
(opracowanie i grafika: © Monteiro et al., 2014)

Suszony rozpyłowo TiO2 przed i po mieleniu ultradźwiękowym

Wynik ten zgadza się z pracą Sato i wsp. (2008), donoszącą o lepszych wynikach przy zastosowaniu ultradźwięków niż innych technik dyspergowania nanoziarnistych cząstek TiO2 w wodzie. Fale uderzeniowe powstające podczas kawitacji akustycznej/ ultradźwiękowej prowadzą do bardzo intensywnych zderzeń międzycząsteczkowych oraz wydajnego mielenia i deaglomeracji cząstek do jednolitych fragmentów w skali nano.
(por. Monteiro i in., 2014)

Wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do produkcji lakieru

Kiedy nanocząstki i nanowypełniacze są stosowane w przemysłowych procesach produkcyjnych, takich jak produkcja lakierów i powłok, suchy proszek musi być homogenicznie wymieszany z fazą ciekłą. Dyspersja nanocząstek wymaga niezawodnej i skutecznej techniki mieszania, która stosuje wystarczającą energię do rozbicia aglomeratów w celu uwolnienia właściwości cząstek w skali nano. Ultradźwiękowce są dobrze znane jako potężne i niezawodne dyspergatory, dlatego są używane do deaglomeracji i dystrybucji różnych materiałów, takich jak krzemionka, nanorurki, grafen, minerały i wiele innych materiałów homogenicznie do fazy ciekłej, takich jak żywice, epoksydy i partie wzorcowe pigmentów. Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do wszelkich zastosowań w zakresie homogenizacji i deaglomeracji.
W przypadku produkcji nano-dyspersji precyzyjna kontrola sonikacji i niezawodna obróbka ultradźwiękowa zawiesiny nanocząstek są niezbędne do uzyskania wysokowydajnych produktów. Procesory firmy Hielscher Ultrasonics zapewniają pełną kontrolę nad wszystkimi ważnymi parametrami przetwarzania, takimi jak energia wejściowa, natężenie ultradźwięków, amplituda, ciśnienie, temperatura i czas retencji. Dzięki temu można dostosować parametry do optymalnych warunków, co w konsekwencji prowadzi do uzyskania wysokiej jakości nanodyspersji, takich jak zawiesiny nanokrzemionki lub nano-TiO2.

Dla każdej objętości / pojemności: Firma Hielscher oferuje ultradźwięki oraz szerokie portfolio akcesoriów. Pozwala to na skonfigurowanie idealnego systemu ultradźwiękowego dla Państwa aplikacji i wydajności produkcji. Od małych fiolek zawierających kilka mililitrów do strumieni o dużej objętości tysięcy galonów na godzinę - Hielscher oferuje odpowiednie rozwiązanie ultradźwiękowe dla Państwa procesu.
Wysoka lepkość: Ultradźwiękowe systemy inline łatwo przetwarzają formuły w postaci pasty, np. partie wzorcowe pigmentów, w których pigment jest mieszany z dużym obciążeniem cząsteczkowym równomiernie w mieszaninie plastyfikatora, monomeru i polimeru.
Solidność: Nasze systemy ultradźwiękowe są solidne i niezawodne. Wszystkie ultradźwiękowe urządzenia firmy Hielscher są przystosowane do pracy w trybie 24/7/365 i wymagają bardzo niewielkiej konserwacji.
Przyjazność dla użytkownika: Rozbudowane oprogramowanie naszych urządzeń ultradźwiękowych umożliwia wstępny wybór i zapis ustawień sonikacji w celu prostej i niezawodnej sonikacji. Intuicyjne menu jest łatwo dostępne za pomocą cyfrowego, kolorowego wyświetlacza dotykowego. Zdalne sterowanie przez przeglądarkę pozwala na obsługę i monitorowanie przez dowolną przeglądarkę internetową. Automatyczna rejestracja danych zapisuje parametry procesu każdej sonikacji na wbudowanej karcie SD.
Doskonała efektywność energetyczna: W porównaniu z alternatywnymi technologiami dyspersji, ultradźwiękowe urządzenia firmy Hielscher wyróżniają się wyjątkową wydajnością energetyczną i doskonałymi wynikami w zakresie rozkładu wielkości cząstek.
Wysokiej jakości & Solidność: Ultradźwięki firmy Hielscher są rozpoznawalne ze względu na ich jakość, niezawodność i solidność. Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na ultradźwięki o wysokiej wydajności, charakteryzujące się najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście, ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: