Jak mieszać lakiery z nanowypełniaczami

Produkcja lakierów wymaga wydajnych urządzeń mieszających, które poradzą sobie z nanocząstkami i pigmentami wymagającymi równomiernego zdyspergowania w formulacji. Homogenizatory ultradźwiękowe stanowią wysoce wydajną i niezawodną technikę dyspergowania, zapewniającą jednorodne rozmieszczenie nanocząstek w polimerach.

Produkcja lakierów przy użyciu wysokowydajnych mieszalników ultradźwiękowych

Lakier opisuje się jako klarowną, przezroczystą, twardą powłokę ochronną lub błonę, której formulacja zawiera żywice (np. akrylowe, poliuretanowe, alkidowe, szelak), olej schnący, sykatywę metaliczną i lotne rozpuszczalniki (np. benzynę ciężką, benzynę lakową lub rozcieńczalnik). Podczas schnięcia lakieru zawarty w nim rozpuszczalnik odparowuje, a pozostałe składniki utleniają się lub polimeryzują, tworząc trwałą, przezroczystą błonę. Lakiery stosuje się głównie jako powłoki ochronne do powierzchni drewnianych, obrazów i różnych przedmiotów dekoracyjnych, natomiast lakiery utwardzane promieniowaniem UV znajdują zastosowanie w powłokach samochodowych, kosmetyce, branży spożywczej, nauce i innych dziedzinach.

Ultradźwiękowe dyspergowanie nanokrzemionki w lakierze

Typowym przykładem dyspergowania ultradźwiękowego jest wprowadzanie krzemionek koloidalnych, które zwykle dodaje się w celu nadania lakierom właściwości tiksotropowych.
Na przykład lakier polieteroimidowy z nanokrzemionką jako wypełniaczem wykazuje trwałość do trzydziestu razy większą niż lakier standardowy. Nanokrzemionka poprawia takie właściwości lakieru jak przewodność elektryczna, wytrzymałość dielektryczna przy napięciu stałym (DC) i przemiennym (AC) oraz wytrzymałość połączenia. Dlatego dyspergatory ultradźwiękowe są powszechnie stosowane do produkcji powłok przewodzących prąd elektryczny.
Inne minerały krzemianowe, wollastonit, talk, mika, kaolin, skaleń i sjenit nefelinowy, są tanimi wypełniaczami i powszechnie stosuje się je jako tak zwane pigmenty wypełniające, dodawane w celu modyfikacji reologii (lepkości), stabilności sedymentacyjnej i wytrzymałości błony w powłokach.

Potwierdzona badaniami przewaga sonikatorów w dyspergowaniu nanowypełniaczy

Monteiro i in. (2014) porównali powszechnie stosowane technologie dyspergowania – mianowicie mieszalnik rotor–stator, wirnik Cowlesa i dyspergator ultradźwiękowy z sonotrodą – pod względem ich skuteczności w dyspergowaniu dwutlenku tytanu (TiO2, anataz). Sonikacja okazała się najskuteczniejsza w dyspergowaniu nanocząstek w wodzie z zastosowaniem konwencjonalnego polielektrolitu Na-PAA i znacznie przewyższała mieszanie za pomocą mieszalnika rotor–stator lub wirnika Cowlesa.
Szczegóły badania: Porównano różne techniki dyspergowania, aby określić najskuteczniejszą w tworzeniu wodnej zawiesiny nano-TiO2 o wysokim stopniu deaglomeracji. Sól sodową kwasu poliakrylowego (Na-PAA), konwencjonalnie stosowaną w przemyśle do wodnych dyspersji TiO2, wykorzystano jako referencyjny środek dyspergujący. Rys. 1 przedstawia uzyskane objętościowe rozkłady wielkości cząstek (PSD) przy użyciu dyspergatora Cowlesa (30 min przy 2000 rpm), mieszalnika rotor–stator (30 min przy 14 000 rpm) i sonikacji z użyciem sonotrody (Hielscher UIP1000hdT, 2 min przy amplitudzie 50%). „Przy użyciu dyspergatora Cowlesa wielkości cząstek mieściły się w trzech różnych zakresach: 40–100 nm, 350–1000 nm i 1200–4000 nm. Większe aglomeraty wyraźnie dominują w rozkładzie, co wskazuje, że technika ta jest nieskuteczna. Mieszalnik rotor–stator również dawał niezadowalające wyniki, niezależnie od tego, czy nanocząstki dodawano jednorazowo, czy stopniowo podczas mieszania. Główna różnica zaobserwowana w wyniku uzyskanym za pomocą dyspergatora Cowlesa wiąże się z przesunięciem środkowego piku w stronę większych rozmiarów cząstek i jego częściowym połączeniem z pikiem położonym najbardziej na prawo. Natomiast zastosowanie ultradźwięków dało znacznie lepszy wynik, z wąskim pikiem o środku przy 0,1 nm i dwoma znacznie mniejszymi pikami 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. Sonikacja daje najmniejsze nanocząstki TiO2 i najwęższe krzywe zmniejszania wielkości cząstek. Gdy stosowano środek dyspergujący (Na-PAA), jego stosunek do nano-TiO2 wynosił 1:1.
(badanie i grafika: © Monteiro i in., 2014)

TiO2 suszony rozpyłowo przed mieleniem ultradźwiękowym i po nim

Wynik ten jest zgodny z pracą Sato i in. (2008), w której odnotowano lepsze wyniki sonikacji niż innych technik dyspergowania nanometrycznych cząstek TiO2 w wodzie. Fale uderzeniowe powstające w wyniku kawitacji akustycznej / ultradźwiękowej prowadzą do bardzo intensywnych zderzeń między cząstkami oraz wydajnego mielenia i deaglomeracji cząstek do jednorodnych fragmentów o rozmiarach nanometrycznych.
(por. Monteiro i in., 2014)

Wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do produkcji lakierów

Gdy nanocząstki i nanowypełniacze są stosowane w przemysłowych procesach wytwarzania, takich jak produkcja lakierów i powłok, suchy proszek musi zostać jednorodnie wymieszany z fazą ciekłą. Dyspergowanie nanocząstek wymaga niezawodnej i skutecznej techniki mieszania, która dostarcza wystarczającą ilość energii do rozbicia aglomeratów, aby umożliwić wykorzystanie właściwości cząstek o rozmiarach nanometrycznych. Sonikatory są dobrze znane jako wydajne i niezawodne dyspergatory, dlatego stosuje się je do deaglomeracji i jednorodnego rozmieszczania różnych materiałów, takich jak krzemionka, nanorurki, grafen, minerały i wiele innych materiałów, w fazie ciekłej, takiej jak żywice, żywice epoksydowe i koncentraty pigmentowe. Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do wszelkiego rodzaju zastosowań związanych z homogenizacją i deaglomeracją.
W produkcji nanodyspersji precyzyjna kontrola sonikacji i niezawodna obróbka ultradźwiękowa zawiesiny nanocząstek są niezbędne do uzyskania produktów o wysokich parametrach użytkowych. Procesory Hielscher Ultrasonics zapewniają pełną kontrolę nad wszystkimi istotnymi parametrami procesu, takimi jak dostarczana energia, intensywność ultradźwięków, amplituda, ciśnienie, temperatura i czas przebywania. Dzięki temu można dostosować parametry do zoptymalizowanych warunków, co następnie prowadzi do uzyskania wysokiej jakości nanodyspersji, takich jak zawiesiny nanokrzemionki lub nano-TiO2.

Do dowolnej objętości / wydajności: Hielscher oferuje sonikatory i szeroką gamę akcesoriów. Umożliwia to skonfigurowanie idealnego systemu ultradźwiękowego do danego zastosowania i wydajności produkcyjnej. Od małych fiolek zawierających kilka mililitrów po strumienie o dużej objętości, liczonej w tysiącach galonów na godzinę, Hielscher oferuje odpowiednie rozwiązanie ultradźwiękowe do danego procesu.
Wysokie lepkości: Ultradźwiękowe systemy przepływowe z łatwością przetwarzają formulacje o konsystencji pasty, np. koncentraty pigmentowe, w których pigment przy wysokiej zawartości cząstek jest równomiernie mieszany z mieszaniną plastyfikatora, monomeru i polimeru.
Wytrzymałość: Nasze systemy ultradźwiękowe są wytrzymałe i niezawodne. Wszystkie sonikatory Hielscher są przystosowane do pracy 24/7/365 i wymagają bardzo niewielkiej konserwacji.
Łatwość obsługi: Zaawansowane oprogramowanie naszych urządzeń ultradźwiękowych umożliwia wcześniejszy wybór i zapisanie ustawień sonikacji, zapewniając prostą i niezawodną sonikację. Intuicyjne menu jest łatwo dostępne za pośrednictwem cyfrowego, kolorowego wyświetlacza dotykowego. Zdalne sterowanie przez przeglądarkę umożliwia obsługę i monitorowanie za pomocą dowolnej przeglądarki internetowej. Automatyczna rejestracja danych zapisuje parametry procesu każdego przebiegu sonikacji na wbudowanej karcie SD.
Doskonała efektywność energetyczna: W porównaniu z alternatywnymi technologiami dyspergowania sonikatory Hielscher wyróżniają się znakomitą efektywnością energetyczną i lepszymi wynikami w zakresie rozkładu wielkości cząstek.
Wysoka jakość i wytrzymałość: Sonikatory Hielscher są cenione za jakość, niezawodność i wytrzymałość. Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne sonikatory cechujące się najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z wymaganiami CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: