Formulações de adesivos de alto desempenho – Melhoradas pela dispersão ultrassónica

Os adesivos de alto desempenho são constituídos por sistemas epoxídicos, de silicone, poliuretano, polissulfureto ou acrílicos que contêm várias (nano)cargas e aditivos, os quais conferem ao adesivo características especiais de desempenho, como resistência da ligação, baixo peso, durabilidade, resistência ao calor e sustentabilidade. É necessária uma mistura eficiente e fiável para formular adesivos de alto desempenho. A dispersão e a emulsificação ultrassónicas são utilizadas para combinar uniformemente vários componentes em misturas adesivas homogéneas. A sonicação em linha mistura de forma fiável e eficaz mesmo materiais de elevada viscosidade e com elevados teores de nanocargas, produzindo adesivos superiores.

Forças ultrassónicas de elevado cisalhamento para a dispersão de adesivos de alto desempenho

Os adesivos de alto desempenho oferecem uma resistência de ligação extraordinária, durabilidade e baixo peso. Dependendo da aplicação final, são formulados polímeros, copolímeros e múltiplos aditivos segundo receitas elaboradas.

Os sistemas epoxídicos, de silicone, poliuretano e acrílicos para adesivos e colas são produzidos por formuladores, que modificam a base adesiva através da adição de agentes de pegajosidade, cargas minerais (talco, sílica, alumina, etc.), flexibilizantes, redutores de viscosidade, corantes, espessantes, aceleradores, promotores de adesão, etc. Estas modificações têm várias finalidades, como melhorar o desempenho e/ou facilitar o processamento ou reduzir os custos. Os dispersores ultrassónicos de elevado cisalhamento são ideais para formular diferentes sistemas epoxídicos em linha e permitem a produção flexível de adesivos adaptados aos requisitos de aplicações específicas.

Misturadores ultrassónicos de elevado cisalhamento para aplicações exigentes de dispersão e emulsificação

Os processadores ultrassónicos de alto desempenho funcionam como misturadores de elevado cisalhamento. As forças extremas de elevado cisalhamento são geradas pela cavitação ultrassónica / acústica e são ideais para aplicações de emulsificação, dispersão, moagem, desaglomeração e homogeneização em lote e em linha. Concentrações de sólidos e viscosidades, desde baixas a elevadas, podem ser facilmente processadas com dispersores ultrassónicos em linha.

Mistura ultrassónica de elevado cisalhamento de nanomateriais em adesivos

Nanomateriais como nanotubos de carbono (CNTs), nanopartículas metálicas, nanossílica, nanoargilas, nanofibras e muitas outras partículas de dimensão nanométrica são utilizados para produzir polímeros reforçados com nanomateriais (nanocompósitos). As nanopartículas são bem conhecidas pela sua capacidade de alterar as propriedades mecânicas (por exemplo, rigidez, elasticidade), as propriedades elétricas (por exemplo, condutividade), as propriedades funcionais (por exemplo, permeabilidade, temperatura de transição vítrea, módulo) e o comportamento à fratura dos adesivos poliméricos termoendurecíveis. Os nanomateriais não só conferem propriedades especiais de alto desempenho, como resistência da ligação, durabilidade, conduciveness, elasticidade ou resistência ao calor; a adição de partículas nanoestruturadas também pode melhorar as propriedades de barreira dos polímeros.
As forças de elevado cisalhamento da cavitação acústica gerada por ultrassons são bem conhecidas pela sua capacidade de desaglomerar e dispersar nanopartículas e até de fragmentar partículas primárias (isto é, moagem ultrassónica). Quando estas forças ultrassónicas são aplicadas a sistemas poliméricos que contêm nanopartículas e outras cargas, obtém-se uma formulação muito uniforme. A dispersão ultrassónica é um método energeticamente eficiente que apresenta um consumo de energia inferior ao dos métodos convencionais de mistura por cisalhamento, como misturadores de lâminas de elevado cisalhamento, misturadores de impulsor ou moinhos.

O vídeo mostra a mistura e dispersão ultrassónica de grafite em 250mL de resina epóxi (Toolcraft L), utilizando um homogeneizador ultrassónico (UP400St, Hielscher Ultrasonics). A Hielscher Ultrasonics fabrica equipamentos para dispersar grafite, grafeno, nanotubos de carbono, nanofios ou cargas em laboratório ou em processos de produção de grande volume. As aplicações típicas incluem a dispersão de nanomateriais e micromateriais durante o processo de funcionalização ou a sua dispersão em resinas ou polímeros.

Kaboori et al. (2013) demonstraram que a sonicação é um método eficaz para dispersar estruturas lamelares de montmorilonite (MMT) e desenvolver adesivos de PVA reforçados com MMT. A sonicação revelou-se fiável e eficiente na dispersão de nanoargila em PVA com teores baixos (1% e 2%) e elevados (4%).
A equipa de investigação concluiu que a «técnica ultrassónica é muito eficiente na dispersão de nanoargila, especialmente com teores elevados, ao contrário do misturador de alta velocidade e elevado cisalhamento. A mistura a alta velocidade conseguiu dispersar nanoargila no PVA apenas com teores baixos e aumentou a resistência da ligação do PVA em diferentes condições. A mistura a alta velocidade tem algumas desvantagens: possíveis danos na emulsão de PVA (devido à forte força de cisalhamento utilizada durante a mistura), custo elevado e elevado consumo de energia. Em contrapartida, a técnica de sonicação tem um impacto negativo mínimo na emulsão de PVA. Além disso, a técnica de sonicação é económica, uma vez que a mistura ultrassónica pode ocorrer antes da produção de PVA e a solução que contém nanoargila pode ser adicionada ao PVA durante o processo de produção. Considerando os resultados obtidos neste artigo e no nosso trabalho anterior, bem como as vantagens da técnica de sonicação em relação à mistura a alta velocidade, a adição de nanoargila ao PVA à escala industrial parece viável e pode ser recomendada aos fabricantes de adesivos para madeira.» (Kaboori et al., 2013)

Efeitos da desgaseificação ultrassónica na produção de adesivos

Uma vantagem adicional da sonicação, que melhora significativamente os resultados da formulação, é o efeito de desgaseificação do tratamento ultrassónico. A agitação mecânica a alta velocidade (por exemplo, com misturadores de lâminas de elevado cisalhamento) produz um grande número de bolhas de gás na mistura, que, em alguns casos, podem até ser percetíveis devido ao aclaramento da cor da mistura. A mistura ultrassónica de elevado cisalhamento tem a enorme vantagem de a técnica de sonicação não incorporar gases na formulação adesiva; em vez disso, as ondas ultrassónicas fazem com que as bolhas de gás já presentes coalesçam e subam à superfície do líquido, de onde o gás pode ser facilmente removido. Assim, a sonicação promove a desgaseificação e a desaeração de líquidos e formulações adesivas. (cf. Shadlou et al., 2014)

Dispersores ultrassónicos de alto desempenho para formulações industriais de adesivos

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui dispersores ultrassónicos de alto desempenho para aplicações exigentes, como o fabrico de adesivos de alto desempenho, resinas com elevados teores de cargas e nanocompósitos. Os sonicadores Hielscher são utilizados em todo o mundo para dispersar nanomateriais em polímeros, resinas, revestimentos e outros materiais de alto desempenho.
Os dispersores ultrassónicos Hielscher podem ser alimentados através de várias correntes de alimentação, que adicionam diversos materiais à zona de mistura por cavitação em condições de escoamento controladas. Os dispersores ultrassónicos são fiáveis e eficientes no processamento de viscosidades baixas a elevadas. Dependendo das matérias-primas e do objetivo de redução de tamanho, a intensidade ultrassónica pode ser ajustada com precisão.
Para processar pastas poliméricas viscosas, nanomateriais e concentrações elevadas de sólidos, o dispersor ultrassónico tem de ser capaz de produzir continuamente amplitudes elevadas. Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas em funcionamento contínuo sob carga máxima. É possível manter facilmente amplitudes de até 200µm em funcionamento 24/7. A possibilidade de operar um dispersor ultrassónico com amplitudes elevadas e de ajustar a amplitude com precisão é necessária para adaptar as condições do processo ultrassónico à formulação de adesivos de alto desempenho, misturas poliméricas reforçadas com nanomateriais e nanocompósitos.
Além da amplitude ultrassónica, a pressão é outro parâmetro de processo muito importante. Sob pressões elevadas, a intensidade da cavitação ultrassónica e das suas forças de cisalhamento aumenta. Os reatores ultrassónicos Hielscher podem ser pressurizados, obtendo-se assim resultados de sonicação intensificados.
A monitorização do processo e o registo de dados são importantes para a normalização contínua do processo e a qualidade do produto. Sensores conectáveis de pressão e temperatura ligam-se por cabo ao gerador ultrassónico para monitorizar e controlar o processo de dispersão ultrassónica. Todos os parâmetros de processamento importantes, como a energia ultrassónica (líquida + total), a temperatura, a pressão e o tempo, são automaticamente registados e armazenados num cartão SD integrado. Ao aceder aos dados do processo registados automaticamente, pode rever operações anteriores de sonicação e avaliar os resultados do processo.
Outra funcionalidade de utilização simples é o controlo remoto dos nossos sistemas ultrassónicos digitais através do navegador. Através deste controlo remoto, pode iniciar, parar, ajustar e monitorizar o seu processador ultrassónico remotamente a partir de qualquer lugar.
Contacte-nos agora para saber mais sobre os nossos dispersores ultrassónicos de alto desempenho e as suas aplicações na produção de adesivos e revestimentos de alto desempenho!
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:

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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.