Ultrassom na formulação de revestimentos

Vários componentes, tais como pigmentos, cargas, aditivos químicos, reticulantes e modificadores de reologia entram nas formulações de revestimentos e tintas. Os ultra-sons são um meio eficaz para a dispersão e emulsão, desaglomeração e moagem de tais componentes em revestimentos.

Os ultra-sons são utilizados 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 dividem-se em duas grandes categorias: resinas e revestimentos à base de água e à base de solventes. Cada tipo tem os seus próprios desafios. As diretivas que exigem a redução dos COV e os preços elevados dos solventes estimulam o crescimento das tecnologias de revestimento de resinas de base aquosa. A utilização de ultra-sons pode melhorar o desempenho destes sistemas ecológicos.

Formulação de revestimento melhorada devido a ultra-sons

Os ultra-sons podem ajudar os formuladores de revestimentos arquitectónicos, industriais, automóveis e de madeira a melhorar as caraterísticas do revestimento, tais como a resistência da cor, a resistência a riscos, fissuras e UV ou a condutividade eléctrica. Algumas destas caraterísticas do revestimento são conseguidas através da inclusão de materiais de tamanho nanométrico, por exemplo, óxidos metálicos (TiO₂sílica, céria, ZnO, …).

Os ultra-sons também ajudam na antiespuma (bolhas presas) e na desgaseificação (gás dissolvido) de produtos altamente viscosos. Leia mais sobre a desaeração ultra-sónica e a desgaseificação de líquidos!

Uma vez que a tecnologia de dispersão ultra-sónica pode ser utilizada em laboratório, em bancada e ao nível da produção industrial, permitindo taxas de produção superiores a 10 toneladas/hora, está a ser aplicada na R&D e na produção comercial. Os resultados do processo podem ser escalonados de forma fácil e linear.

Os dispositivos ultra-sónicos Hielscher são muito eficientes em termos energéticos. Os dispositivos convertem cerca de 80 a 90% da potência eléctrica de entrada em atividade mecânica no líquido. Isto leva a custos de processamento substancialmente mais baixos.

Seguindo as ligações abaixo, pode ler mais sobre a utilização de ultra-sons de alto desempenho para a

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

Polimerização em emulsão por Sonicação

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

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

O processamento ultrassónico pode ser utilizado de duas formas para gerar emulsões de polímeros.

• de cima para baixo: Emulsão/Dispersão de partículas de polímero maiores para gerar partículas mais pequenas por redução de tamanho
• de baixo para cima: Utilização de ultra-sons antes ou durante a polimerização de partículas

 

 

Polímeros nanoparticulados em miniemulsões

A polimerização de partículas em miniemulsões permite o fabrico de partículas poliméricas dispersas com um bom controlo do tamanho das partículas. A síntese de partículas poliméricas nanoparticuladas em miniemulsões (também conhecidas como nanoreactores), tal como apresentada 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 nanoreactores. Nestes, as partículas são sintetizadas de forma altamente paralela nas gotículas individuais e confinadas. No seu artigo, Landfester (2001) apresenta a polimerização em nanoreactores em alta perfeição para a geração de partículas altamente idênticas de tamanho quase uniforme. A imagem acima mostra partículas obtidas por poliadição assistida por ultra-sons em miniemulsões.

Pequenas gotículas geradas pela aplicação de alto cisalhamento (ultrassom) e estabilizadas por agentes estabilizadores (emulsionantes), podem ser endurecidas por polimerização subsequente ou por diminuição da temperatura no caso de materiais de fusão a baixa temperatura. Como ultra-sons pode produzir gotículas muito pequenas de tamanho quase uniforme em lote e processo de produção, que permite um bom controlo sobre o tamanho da partícula final. Para a polimerização de nanopartículas, monómeros hidrofílicos podem ser emulsionados numa fase orgânica, e monómeros hidrofóbicos em água.

Ao reduzir o tamanho da partícula, a área total da superfície da partícula aumenta ao mesmo tempo. A figura à esquerda mostra a correlação entre o tamanho das partículas e a área de superfície no caso de partículas esféricas. Por conseguinte, a quantidade de tensioativo necessária para estabilizar a emulsão aumenta quase linearmente com a área total da superfície das partículas. O tipo e a quantidade de tensioativo influenciam o tamanho das gotículas. Podem obter-se gotículas de 30 a 200 nm utilizando tensioactivos aniónicos ou catiónicos.

Pigmentos em revestimentos

Os pigmentos orgânicos e inorgânicos são um componente importante das formulações de revestimento. A fim de maximizar o desempenho do pigmento, é necessário um bom controlo do tamanho das partículas. Ao adicionar pigmento em pó a sistemas à base de água, à base de solvente ou epóxi, as partículas individuais de pigmento tendem a formar grandes aglomerados. Mecanismos de alto cisalhamento, como misturadores rotor-estator ou moinhos de esferas agitadores, são convencionalmente usados para quebrar esses aglomerados e para moer as partículas individuais de pigmento. Ultrasonication em 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 perolado. O ultrassom tritura as partículas individuais de pigmento por colisão inter-partículas de alta velocidade. A vantagem proeminente de ultra-sons é o elevado impacto das forças de cisalhamento cavitacionais, o que torna desnecessária a utilização de meios de moagem (por exemplo, grânulos, pérolas). À medida que as partículas são aceleradas por jactos de líquido extremamente rápido de até 1000 km / h, o colidem violentamente e quebrar em pequenos pedaços. A abrasão das partículas confere às partículas fresadas por ultra-sons uma superfície lisa. Em geral, a moagem e dispersão ultra-sónicas resultam numa distribuição de partículas de tamanho fino e uniforme.

 

A moagem e a dispersão por ultra-sons são frequentemente superiores aos misturadores de alta velocidade e aos moinhos de meios de comunicação, uma vez que a ultra-sons proporciona um processamento mais consistente de todas as partículas. Geralmente, a ultra-sons produz partículas mais pequenas e uma distribuição estreita do tamanho das partículas (curvas de moagem de pigmentos). Isto melhora a qualidade global das dispersões de pigmentos, uma vez que as partículas maiores interferem normalmente com a capacidade de processamento, o brilho, a resistência e o aspeto ótico.

Uma vez que a moagem e trituração de partículas se baseia na colisão entre partículas como resultado da cavitação ultra-sónica, os reactores ultra-sónicos podem lidar com concentrações sólidas bastante elevadas (por exemplo, lotes principais) e ainda produzir bons efeitos de redução de tamanho. A tabela abaixo mostra imagens da moagem húmida de TiO2.

O gráfico abaixo mostra as curvas de distribuição do tamanho das partículas para a desaglomeração do dióxido de titânio anatase Degussa por ultra-sons. A forma estreita da curva após a sonicação é uma caraterística típica do processamento ultrassónico.

Materiais nanométricos em revestimentos de alto desempenho

A nanotecnologia é uma tecnologia emergente que está a entrar em muitos sectores. Os nanomateriais e os nanocompósitos estão a ser utilizados em formulações de revestimentos, por exemplo, para melhorar a resistência à abrasão e aos riscos ou a estabilidade aos raios UV. O maior desafio para a aplicação em revestimentos é a retenção da transparência, da clareza e do brilho. Por conseguinte, as nanopartículas têm de ser muito pequenas para evitar interferências com o espetro visível da luz. Para muitas aplicações, este valor é substancialmente inferior a 100nm.

A moagem a húmido de componentes de alto desempenho até à gama nanométrica torna-se um passo crucial na formulação de revestimentos de nanoengenharia. Quaisquer partículas que interfiram com a luz visível causam turvação e perda de transparência. Por conseguinte, são necessárias distribuições de tamanho muito estreitas. Ultrasonication é um meio muito eficaz para a moagem fina de sólidos. Ultra-sons / cavitação acústica em líquidos provoca colisões inter-partículas de alta velocidade. Ao contrário dos moinhos de esferas convencionais e moinhos de seixos, as próprias partículas estão a cominuir-se umas às outras, tornando desnecessários os meios de moagem.

Empresas, como Panadur (Alemanha) utilizar ultrasonicators Hielscher para a dispersão e desaglomeração de nanomateriais em revestimentos in-mould. Clique aqui para ler mais sobre a dispersão ultra-sónica de revestimentos em moldes!

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