Ultrassons na formulação de revestimentos

Vários componentes, como pigmentos, cargas, aditivos químicos, agentes de reticulação e modificadores de reologia, entram nas formulações de revestimentos e tintas. Os ultrassons são um meio eficaz para a dispersão e emulsificação, desaglomeração e moagem destes componentes em revestimentos.

Os ultrassons 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 elevado desempenho

Os revestimentos dividem-se em duas grandes categorias: resinas e revestimentos de base aquosa e de base solvente. Cada tipo tem os seus próprios desafios. As orientações que exigem a redução de compostos orgânicos voláteis (COV) e os preços elevados dos solventes estimulam o crescimento das tecnologias de revestimentos com resinas de base aquosa. A utilização da ultrassonicação pode melhorar o desempenho destes sistemas ecológicos.

Melhoria da formulação de revestimentos através da ultrassonicação

Os ultrassons podem ajudar os formuladores de revestimentos arquitetónicos, industriais, para automóveis e para madeira a melhorar as características dos revestimentos, como o poder corante, a resistência a riscos, fissuras e radiação UV ou a condutividade elétrica. Algumas destas características dos revestimentos são obtidas pela incorporação de materiais de dimensão nanométrica, por exemplo, óxidos metálicos (TiO₂, sílica, óxido de cério, ZnO, …).

Os ultrassons também ajudam na eliminação de espuma (bolhas retidas) e na desgaseificação (gás dissolvido) de produtos altamente viscosos. Saiba mais sobre a desareação e a desgaseificação ultrassónicas de líquidos!

Como a tecnologia de dispersão ultrassónica pode ser utilizada à escala laboratorial, em equipamentos de bancada e na produção industrial, permitindo capacidades de processamento superiores a 10 toneladas/hora, é aplicada na fase de I&D e na produção comercial. Os resultados do processo podem ser transpostos para uma escala superior de forma fácil e linear.

Os dispositivos ultrassónicos Hielscher são muito eficientes em termos energéticos. Os dispositivos convertem aproximadamente 80 a 90% da potência elétrica de entrada em atividade mecânica no líquido. Isto traduz-se em custos de processamento substancialmente mais baixos.

Seguindo as ligações abaixo, pode saber mais sobre a utilização de ultrassons de elevado 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 revestimentos utilizam princípios básicos da química dos polímeros. A mudança para a tecnologia de revestimentos de base aquosa tem impacto na seleção das matérias-primas, nas propriedades e nas metodologias de formulação.

Na polimerização em emulsão convencional, por exemplo, para revestimentos de base aquosa, as partículas formam-se do centro para a superfície. Os fatores 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: Emulsificação/dispersão de partículas de polímeros maiores para gerar partículas menores através da redução do tamanho
• De baixo para cima: Utilização de ultrassons antes ou durante a polimerização das partículas

 

Neste vídeo, mostramos um sistema ultrassónico de 2 quilowatts para funcionamento em linha num armário com purga. A Hielscher fornece equipamentos ultrassónicos a quase todos os setores industriais, como as indústrias química, farmacêutica e cosmética, bem como para processos petroquímicos e processos de extração com solventes. Este armário de aço inoxidável com purga foi concebido para funcionar em zonas perigosas. Para este efeito, o cliente pode purgar o armário estanque com azoto ou ar fresco, impedindo a entrada de gases ou vapores inflamáveis.

 

Polímeros nanoparticulados em miniemulsões

A polimerização de partículas em miniemulsões permite fabricar partículas de polímeros dispersas com um bom controlo do tamanho das partículas. A síntese de partículas de polímeros nanoparticuladas em miniemulsões (também conhecidas como nanorreatores), 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) de uma emulsão como nanorreatores. Nestes, as partículas são sintetizadas de forma altamente paralela nas gotículas individuais confinadas. No seu artigo, Landfester (2001) apresenta a polimerização em nanorreatores com um elevado grau de perfeição para a geração de partículas muito semelhantes entre si e de tamanho quase uniforme. A imagem acima mostra partículas obtidas por poliadição assistida por ultrassons em miniemulsões.

As pequenas gotículas geradas pela aplicação de elevado cisalhamento (ultrassonicação) e estabilizadas por agentes estabilizantes (emulsionantes) podem ser endurecidas por polimerização subsequente ou por diminuição da temperatura, no caso de materiais com baixa temperatura de fusão. Como a ultrassonicação pode produzir gotículas muito pequenas de tamanho quase uniforme em processos por lotes e de produção, permite um bom controlo do tamanho final das partículas. Para a polimerização de nanopartículas, os monómeros hidrofílicos podem ser emulsionados numa fase orgânica, e os monómeros hidrofóbicos em água.

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

Pigmentos em revestimentos

Os pigmentos orgânicos e inorgânicos são um componente importante das formulações de revestimentos. Para maximizar o desempenho dos pigmentos, é necessário um bom controlo do tamanho das partículas. Ao adicionar pigmentos em pó a sistemas de base aquosa, de base solvente ou epoxídicos, as partículas individuais dos pigmentos tendem a formar grandes aglomerados. Os mecanismos de elevado cisalhamento, como os misturadores rotor-estator ou os moinhos de esferas com agitador, são utilizados convencionalmente para desagregar estes aglomerados e moer as partículas individuais dos pigmentos. A ultrassonicação é uma alternativa extremamente eficaz para esta etapa do fabrico de revestimentos.

Os gráficos abaixo mostram o impacto da sonicação no tamanho de um pigmento de brilho nacarado. Os ultrassons moem as partículas individuais do pigmento através de colisões entre partículas a alta velocidade. A principal vantagem da ultrassonicação é o elevado impacto das forças de cisalhamento geradas pela cavitação, que torna desnecessária a utilização de meios de moagem (por exemplo, esferas, pérolas). Como as partículas são aceleradas por jatos de líquido extremamente rápidos, de até 1000km/hr, colidem violentamente e fragmentam-se em pequenos pedaços. A abrasão das partículas confere às partículas moídas por ultrassons uma superfície lisa. No conjunto, a moagem e a dispersão ultrassónicas resultam numa distribuição uniforme de partículas de tamanho reduzido.

 

A moagem e a dispersão ultrassónicas superam frequentemente os misturadores de alta velocidade e os moinhos com meios de moagem, uma vez que a sonicação proporciona um processamento mais consistente de todas as partículas. Em geral, a ultrassonicação produz partículas de menor tamanho e uma distribuição estreita do tamanho das partículas (curvas de moagem dos pigmentos). Isto melhora a qualidade global das dispersões de pigmentos, uma vez que as partículas maiores normalmente interferem com a capacidade de processamento, o brilho, a resistência e o aspeto ótico.

Como a moagem e a trituração das partículas se baseiam em colisões entre partículas resultantes da cavitação ultrassónica, os reatores ultrassónicos podem processar concentrações de sólidos bastante elevadas (por exemplo, misturas concentradas) e ainda assim produzir bons efeitos de redução do tamanho. A tabela abaixo mostra imagens da moagem por via húmida de TiO2.

O gráfico abaixo mostra as curvas de distribuição do tamanho das partículas relativas à desaglomeração de dióxido de titânio anatase da Degussa por ultrassonicação. A forma estreita da curva após a sonicação é uma característica típica do processamento ultrassónico.

Materiais de dimensão nanométrica em revestimentos de elevado desempenho

A nanotecnologia é uma tecnologia emergente que está a entrar em muitas indústrias. Os nanomateriais e os nanocompósitos são utilizados em formulações de revestimentos, por exemplo, para melhorar a resistência à abrasão e aos riscos ou a estabilidade à radiação UV. O maior desafio da aplicação em revestimentos é a manutenção da transparência, da limpidez 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 tamanho é substancialmente inferior a 100nm.

A moagem por via húmida de componentes de elevado desempenho até à escala nanométrica torna-se uma etapa crucial na formulação de revestimentos desenvolvidos por nanoengenharia. Quaisquer partículas que interfiram com a luz visível causam turvação e perda de transparência. Por conseguinte, são necessárias distribuições de tamanho muito estreitas. A ultrassonicação é um meio muito eficaz para a moagem fina de sólidos. A cavitação ultrassónica / acústica em líquidos provoca colisões entre partículas a alta velocidade. Ao contrário dos moinhos de esferas e dos moinhos de seixos convencionais, as próprias partículas fragmentam-se umas às outras, tornando desnecessários os meios de moagem.

Empresas como a Panadur (Alemanha) utilizam sonicadores Hielscher para a dispersão e a desaglomeração de nanomateriais em revestimentos aplicados no molde. Clique aqui para saber mais sobre a dispersão ultrassónica de revestimentos aplicados no molde!

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