Ultradźwięki do dyspergowania i rozdrabniania: farby i pigmenty

Ultradźwięki dużej mocy są dobrze znane z intensywnego i precyzyjnie kontrolowanego działania rozdrabniającego i dyspergującego. Dzięki temu homogenizatory ultradźwiękowe idealnie nadają się do produkcji past pigmentowych i formulacji farb. Przemysłowe sonikatory zapewniają wysoce jednorodny rozkład wielkości cząstek w zakresie mikro- i nanometrycznym. Przetwarzaj strumienie materiałów o dużej lepkości i dużym natężeniu przepływu za pomocą sonikatorów Hielscher, aby uzyskać równomierne zwilżanie, dyspergowanie, deaglomerację i rozdrabnianie!

Produkcja farb z wykorzystaniem ultradźwięków

Ulepszaj swoje farby, barwniki i powłoki za pomocą sonikacji:

• Formulacja: Duża lepkość, wysoka zawartość cząstek, formulacje na bazie wody lub rozpuszczalników – przemysłowe sonikatory przepływowe Hielscher umożliwiają przetwarzanie dowolnej formulacji.
• Wielkości mikro- i nanometryczne: Duże siły ścinające generowane przez kawitację akustyczną zmniejszają średnice cząstek do bardzo małych rozmiarów i zapewniają jednorodną dyspersję. Dostosowanie parametrów sonikacji do wymagań dotyczących cząstek i formulacji umożliwia niezawodną produkcję pigmentów o wielkości nanometrycznej.
• Właściwości optyczne: Aby uzyskać odpowiednie właściwości optyczne, należy kontrolować wielkość cząstek pigmentu. Zazwyczaj nieprzezroczystość koreluje z wielkością cząstek: im drobniejsze cząstki, tym większa nieprzezroczystość. Na przykład TiO2 jest specjalnie przetwarzany do wielkości cząstek od 0,20 do 0,3 mikrometra, co odpowiada w przybliżeniu połowie długości fali światła. Sonikacja zmniejsza cząstki pigmentów TiO2 do ich optymalnej wielkości, dzięki czemu uzyskuje się maksymalną siłę krycia.
• Cząstki o wysokich parametrach użytkowych: Mniejsze cząstki zapewniają większe nasycenie barwy, jej jednolitość i stabilność. Intensywne, a zarazem precyzyjnie kontrolowane siły ultradźwiękowe umożliwiają wytwarzanie zmodyfikowanych i funkcjonalizowanych nanocząstek, takich jak cząstki powlekane, SWNTs, MWCNTs oraz cząstki typu rdzeń–powłoka. Cząstki te wykazują wyjątkowe właściwości i podnoszą jakość oraz funkcjonalność formulacji farb lub powłok na nowy poziom (np. odporność na promieniowanie UV, odporność na zarysowania, wytrzymałość, przyczepność, wysoka odporność termiczna, zdolność odbijania promieniowania podczerwonego i słonecznego).
• Zmodyfikowane cząstki: Pigmenty o zmodyfikowanej powierzchni charakteryzują się bardzo małą lepkością przy wysokiej zawartości pigmentu (2,5cP przy 10% zawartości substancji stałych), doskonałą stabilnością zawiesiny i wysoką czystością. Funkcjonalizacja cząstek wspomagana ultradźwiękami ułatwia syntezę pigmentów o wysokich parametrach użytkowych i szczególnych właściwościach.

Pasty pigmentowe rozdrabniane i dyspergowane za pomocą kawitacji ultradźwiękowej oraz dużych sił ścinających wykazują znaczne zmniejszenie wielkości cząstek i ich jednorodny rozkład. Powyższy wykres pokazuje coraz większą redukcję wielkości cząstek wraz ze wzrostem energii ultradźwiękowej.

Podczas produkcji farb składniki takie jak pigmenty, spoiwa/ substancje błonotwórcze, rozcieńczalniki/ rozpuszczalniki, żywice, wypełniacze i dodatki muszą zostać wymieszane w jednorodną formulację. Pigmenty są kluczowym składnikiem nadającym farbie barwę. Najważniejszym białym pigmentem jest TiO2, który należy rozdrobnić do optymalnej średnicy cząstek od 0,2 do 0,3 mikrometra, aby uzyskać pożądany stopień bieli, jasności i nieprzezroczystości oraz bardzo wysoki współczynnik załamania światła. Ultradźwiękowe siły ścinające zapewniają bardzo skuteczną i energooszczędną deaglomerację oraz dyspersję cząstek TiO2 (patrz ilustracja poniżej).

Obrazy TEM zawiesiny nanocząstek TiO2 dyspergowanych ultradźwiękowo przy różnych stężeniach substancji stałych. Sonikację przeprowadzono za pomocą sonikatora UIP1000hdT
Po lewej: dostarczona energia ultradźwiękowa 1,8 × 10⁵ J/L – Po prawej: dostarczona energia ultradźwiękowa 5,4 × 10⁵ J/L
(Badanie i ilustracje: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ultradźwiękowe rozdrabnianie i dyspergowanie podnoszą jakość farby, poprawiając jej siłę barwienia, gęstość, stopień rozdrobnienia, dyspersję i reologię.

Warunki ultradźwiękowego dyspergowania i rozdrabniania

Jakość farb i powłok zależy od jednorodnej dyspersji pigmentów. Hielscher Ultrasonics dostarcza skuteczne urządzenia do mielenia i rozdrabniania na potrzeby dyspergowania farb, zwłaszcza formulacji o wysokiej zawartości pigmentów. Mechanizm działania dyspergatorów ultradźwiękowych w zastosowaniach związanych z mieleniem, rozdrabnianiem, deaglomeracją i dyspergowaniem opiera się głównie na ścinaniu generowanym przez kawitację ultradźwiękową. Kawitacyjne siły ścinające niezbędne do rozdzielania cząstek powstają wskutek dużych różnic ciśnienia, lokalnych obszarów wysokiej temperatury i strug cieczy, co prowadzi do rozbijania cząstek w wyniku zderzeń między nimi.
Przemysłowe dyspergatory ultradźwiękowe, takie jak UIP16000hdT o mocy 16 000 watów na sondę ultradźwiękową, umożliwiają przetwarzanie strumieni farb i materiałów powłokowych o dużym natężeniu przepływu.

Farba kredowa poddana sonikacji na grindometrze wykazuje idealnie równomierną deaglomerację i rozkład wielkości cząstek pigmentów

Dyspergowanie nanocząstek

Ultradźwiękowe rozdrabnianie i dyspergowanie są często jedyną metodą wydajnego przetwarzania nanocząstek w celu uzyskania pojedynczo zdyspergowanych cząstek pierwotnych. Mała wielkość cząstek pierwotnych zapewnia dużą powierzchnię i koreluje z ujawnianiem się wyjątkowych właściwości i funkcjonalności cząstek. Jednocześnie mniejsza wielkość cząstek wiąże się z wysoką energią powierzchniową, prowadzącą do silniejszej agregacji i większej reaktywności, dlatego do jednorodnego zdyspergowania nanocząstek w formulacji wymagane są intensywne ultradźwiękowe siły dyspergujące.
Ponadto ultradźwiękowa obróbka powierzchni może modyfikować nanocząstki, poprawiając ich dyspergowalność, stabilność dyspersji, hydrofobowość i inne właściwości.
Badacze zalecili ultradźwiękową metodę dyspergowania nanocząstek jako preferowane rozwiązanie, „ponieważ materiał dyspergowany metodą ultradźwiękową jest znacznie czystszy niż materiał wytwarzany przez mielenie w młynie kulkowym.” [Kim et al. 2010].

Technika dyspergowania ultradźwiękowego ma wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi technologiami mielenia, takimi jak młyny trójwalcowe, kulowe lub młyny z mielnikami.

Dowiedz się więcej o ultradźwiękowej homogenizacji i dyspergowaniu pigmentów oraz barwników do koncentratów i formulacji farb!

Literatura / Źródła

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.