Ultrassom na formulação de revestimentos

Vários componentes, como pigmentos, cargas, aditivos químicos, reticuladores e modificadores de reologia, entram nas formulações de revestimentos e tintas. O ultrassom é um meio eficaz para a dispersão e emulsificação, desaglomeração e moagem de tais componentes em revestimentos.

O ultrassom é usado na formulação de revestimentos para:

• emulsificação de polímeros em sistemas aquosos
• Dispersão e moagem fina de pigmentos
• redução do tamanho de nanomateriais em revestimentos de alto desempenho

Os revestimentos se enquadram em duas grandes categorias: resinas e revestimentos à base de água e à base de solvente. Cada tipo tem seus próprios desafios. As instruções que exigem redução de VOC e altos preços de solventes estimulam o crescimento das tecnologias de revestimento de resina à base de água. O uso de ultrassom pode melhorar o desempenho de tais sistemas ecológicos.

Formulação de revestimento aprimorada devido à ultrassonografia

O ultrassom pode ajudar os formuladores de revestimentos arquitetônicos, industriais, automotivos e de madeira a melhorar as características do revestimento, como resistência da cor, arranhões, rachaduras e UV ou condutividade elétrica. Algumas dessas características de revestimento são alcançadas pela inclusão de materiais nanométricos, por exemplo, óxidos metálicos (TiO₂, sílica, céria, ZnO, …).

O ultrassom ajuda ainda mais na desespumação (bolhas aprisionadas) e na desgaseificação (gás dissolvido) de produtos altamente viscosos. Leia mais sobre desaeração ultrassônica e desgaseificação de líquidos!

Como a tecnologia de dispersão ultrassônica pode ser usada em nível de produção industrial, de bancada e de laboratório, permitindo taxas de produção acima de 10 toneladas/hora, ela está sendo aplicada no R&D e na produção comercial. Os resultados do processo podem ser ampliados de forma fácil e linear.

Os dispositivos ultrassônicos Hielscher são muito eficientes em termos de energia. Os dispositivos convertem aprox. 80 a 90% da energia elétrica de entrada em atividade mecânica no líquido. Isso leva a custos de processamento substancialmente mais baixos.

Seguindo os links abaixo, você pode ler mais sobre o uso do ultrassom de alto desempenho para o

• emulsificação de polímeros em sistemas aquosos,
• Dispersão e moagem fina de pigmentos,
• e redução de tamanho de nanomateriais.

Polimerização em emulsão usando sonicação

As formulações tradicionais de revestimento usam química básica de polímeros. A mudança para a tecnologia de revestimento à base de água tem impacto na seleção de matérias-primas, propriedades e metodologias de formulação.

Na polimerização convencional em emulsão, por exemplo, para revestimentos à base de água, as partículas são construídas do centro para a superfície. Fatores cinéticos influenciam a homogeneidade e a morfologia das partículas.

O processamento ultrassônico pode ser usado de duas maneiras para gerar emulsões poliméricas.

• de cima para baixo: Emulsão/Dispersão de partículas de polímero maiores para gerar partículas menores por redução de tamanho
• de baixo para cima: Uso de ultrassom antes ou durante a polimerização de partículas

 

 

Polímeros Nanoparticulados em Miniemulsões

A polimerização de partículas em miniemulsões permite a fabricação de partículas poliméricas dispersas com bom controle sobre o tamanho das partículas. A síntese de partículas poliméricas nanoparticuladas em miniemulsões (também conhecidas como nanorreatores), conforme apresentado por K. Landfester (2001), é um excelente método para a formação de nanopartículas poliméricas. Esta abordagem utiliza o elevado número de pequenos nanocompartimentos (fase dispersa) numa emulsão como nanorreatores. Nestes, as partículas são sintetizadas de forma altamente paralela nas gotículas individuais e confinadas. Em seu trabalho, Landfester (2001) apresenta a polimerização em nanorreatores em alta perfeição para a geração de partículas altamente idênticas de tamanho quase uniforme. A imagem acima mostra partículas obtidas por poliadição assistida por ultrassom em miniemulsões.

Pequenas gotículas geradas pela aplicação de alto cisalhamento (ultrassom) e estabilizadas por agentes estabilizantes (emulsificantes), podem ser endurecidas por polimerização subsequente ou por diminuição de temperatura no caso de materiais de fusão a baixa temperatura. Como a ultrassonografia pode produzir gotículas muito pequenas de tamanho quase uniforme no lote e no processo de produção, ela permite um bom controle sobre o tamanho final das partículas. Para a polimerização de nanopartículas, monômeros hidrofílicos podem ser emulsionados em uma fase orgânica e monômeros hidrofóbicos em água.

Ao reduzir o tamanho da partícula, a área total da superfície da partícula aumenta ao mesmo tempo. A imagem à esquerda mostra a correlação entre o tamanho das partículas e a área de superfície no caso de partículas esféricas. Portanto, a quantidade de surfactante necessária para estabilizar a emulsão aumenta quase linearmente com a área total da superfície da partícula. O tipo e a quantidade de surfactante influenciam o tamanho da gota. Gotículas de 30 a 200 nm podem ser obtidas usando surfactantes aniônicos ou catiônicos.

Pigmentos em Revestimentos

Pigmentos orgânicos e inorgânicos são um componente importante das formulações de revestimento. Para maximizar o desempenho do pigmento, é necessário um bom controle sobre o tamanho das partículas. Ao adicionar pó de pigmento a sistemas à base de água, à base de solvente ou epóxi, as partículas de pigmento individuais tendem a formar grandes aglomerados. Mecanismos de alto cisalhamento, como misturadores rotor-estator ou moinhos de esferas agitadores, estão sendo usados convencionalmente para quebrar esses aglomerados e triturar as partículas de pigmento individuais. A ultrassonografia é uma alternativa extremamente eficaz para esta etapa na fabricação de revestimentos.

Os gráficos abaixo mostram o impacto da sonicação no tamanho de um pigmento de brilho de pérola. O ultrassom mói as partículas de pigmento individuais por colisão entre partículas de alta velocidade. A vantagem proeminente da ultrassonografia é o alto impacto das forças de cisalhamento cavitacionais, o que torna desnecessário o uso de meios de moagem (por exemplo, contas, pérolas). À medida que as partículas são aceleradas por jatos de líquido extremamente rápidos de até 1000 km/h, elas colidem violentamente e se quebram em pequenos pedaços. A abrasão de partículas dá às partículas moídas por ultrassom uma superfície lisa. No geral, a moagem e dispersão ultrassônica resultam em uma distribuição de partículas uniforme e de tamanho fino.

 

A moagem e dispersão ultrassônica geralmente supera os misturadores de alta velocidade e os moinhos de mídia, pois a sonicação fornece um processamento mais consistente de todas as partículas. Geralmente, a ultrassonografia produz tamanhos de partícula menores e uma distribuição de tamanho de partícula estreita (curvas de moagem de pigmento). Isso melhora a qualidade geral das dispersões de pigmento, pois partículas maiores normalmente interferem na capacidade de processamento, brilho, resistência e aparência óptica.

Como a moagem e moagem de partículas é baseada na colisão entre partículas como resultado da cavitação ultrassônica, os reatores ultrassônicos podem lidar com concentrações sólidas bastante altas (por exemplo, masterbatches) e ainda produzir bons efeitos de redução de tamanho. A tabela abaixo mostra fotos da moagem úmida de TiO2.

O gráfico abaixo mostra as curvas de distribuição granulométrica para a desaglomeração do dióxido de titânio Degussa anatase por ultrassom. A forma estreita da curva após a sonicação é uma característica típica do processamento ultrassônico.

Materiais nanométricos em revestimentos de alto desempenho

A nanotecnologia é uma tecnologia emergente que está entrando em muitas indústrias. Nanomateriais e nanocompósitos estão sendo usados em formulações de revestimentos, por exemplo, para aumentar a resistência à abrasão e arranhões ou a estabilidade UV. O maior desafio para a aplicação em revestimentos é a retenção de transparência, clareza e brilho. Portanto, as nanopartículas devem ser muito pequenas para evitar interferência com o espectro visível da luz. Para muitas aplicações, isso é substancialmente inferior a 100 nm.

A retificação úmida de componentes de alto desempenho até a faixa nanométrica torna-se uma etapa crucial na formulação de revestimentos de nanoengenharia. Quaisquer partículas que interfiram na luz visível causam neblina e perda de transparência. Portanto, distribuições de tamanho muito estreitas são necessárias. A ultrassonografia é um meio muito eficaz para a moagem fina de sólidos. A cavitação ultrassônica / acústica em líquidos causa colisões entre partículas de alta velocidade. Diferente dos moinhos de esferas convencionais e dos moinhos de seixos, as próprias partículas estão se cominuindo, tornando desnecessário o meio de moagem.

Empresas, como Panadur (Alemanha) usar ultrassônicos Hielscher para a dispersão e desaglomeração de nanomateriais em revestimentos no molde. Clique aqui para ler mais sobre a dispersão ultrassônica de revestimentos no molde!

Para a sonicação de líquidos ou solventes inflamáveis em ambientes perigosos, estão disponíveis processadores com certificação ATEX. Saiba mais sobre o ultrassônico certificado pela Apex UIP1000-Exd!