Ultrassons para dispersão e moagem: tintas e pigmentos

Os ultrassons de potência são bem conhecidos pelos seus efeitos intensos e precisamente controláveis de moagem e dispersão. Isto torna os homogeneizadores ultrassónicos ideais para a produção de pastas de pigmentos e formulações de tintas. Os sonicadores industriais proporcionam uma distribuição altamente uniforme do tamanho das partículas nas escalas micrométrica e nanométrica. Processe fluxos de grande volume e elevada viscosidade com sonicadores Hielscher para obter molhagem, dispersão, desaglomeração e moagem homogéneas!

Fabrico de tintas com ultrassons

Melhore as suas tintas, cores e revestimentos com sonicação:

• Formulação: Quer se trate de viscosidades elevadas, de elevados teores de partículas ou de formulações de base aquosa ou à base de solventes – com os sonicadores industriais Hielscher em linha, pode processar qualquer formulação.
• Tamanho micrométrico e nanométrico: As elevadas forças de cisalhamento geradas pela cavitação acústica reduzem as partículas a diâmetros diminutos e proporcionam uma dispersão uniforme. O ajuste dos parâmetros de sonicação aos requisitos das suas partículas e formulações permite uma produção fiável de pigmentos de tamanho nanométrico.
• Propriedades óticas: Para obter as propriedades óticas corretas, é necessário controlar o tamanho das partículas dos pigmentos. Normalmente, a opacidade está correlacionada com o tamanho das partículas: quanto menor o tamanho das partículas, maior a opacidade. Por exemplo, o TiO2 é especificamente processado até um tamanho de partícula de 0,20 a 0,3 micrómetros, que corresponde aproximadamente a metade do comprimento de onda da luz. A sonicação reduz os pigmentos de TiO2 ao seu tamanho ótimo, de modo a obter o máximo poder de cobertura.
• Partículas de elevado desempenho: Tamanhos de partícula menores resultam em maior saturação da cor, uniformidade da cor e estabilidade. As forças ultrassónicas intensas, mas precisamente controláveis, permitem produzir nanopartículas modificadas e funcionalizadas, como partículas revestidas, SWNTs, MWCNTs e partículas de núcleo e casca. Estas partículas apresentam características únicas e elevam as formulações de tintas ou revestimentos a um novo nível de qualidade e funcionalidade (por exemplo, resistência aos UV, resistência aos riscos, resistência mecânica, capacidade de adesão, elevada resistência ao calor, refletividade infravermelha e solar).
• Partículas modificadas: Os pigmentos com superfície modificada apresentam uma viscosidade muito baixa com elevados teores de pigmentos (2,5cP com 10% de sólidos), estabilidade superior da suspensão e elevada pureza. A funcionalização de partículas assistida por ultrassons facilita a síntese de pigmentos de elevado desempenho com características especiais.

As pastas de pigmentos moídas e dispersas por cavitação ultrassónica e elevadas forças de cisalhamento apresentam uma redução significativa do tamanho e uma distribuição uniforme. O gráfico acima mostra que a redução do tamanho aumenta com o aumento da energia ultrassónica.

Para a produção de tintas, os componentes, como pigmentos, ligantes/ formadores de película, diluentes/ solventes, resinas, cargas e aditivos, têm de ser misturados para obter uma formulação homogénea. Os pigmentos são o componente determinante que confere à tinta a sua cor. O pigmento branco mais importante é o TiO2, que precisa de ser moído até um tamanho ótimo de partícula entre 0,2 e 0,3 micrómetros de diâmetro para apresentar o grau desejado de brancura, brilho e opacidade, bem como um índice de refração muito elevado. As forças de cisalhamento ultrassónicas proporcionam uma desaglomeração e dispersão das partículas de TiO2 muito eficazes e energeticamente eficientes (ver imagem abaixo).

Microscopia eletrónica de transmissão (TEM) de uma suspensão de nanopartículas de TiO2 dispersas por ultrassons, com diferentes concentrações de sólidos. A sonicação foi realizada com o sonicador UIP1000hdT
Esquerda: energia ultrassónica fornecida 1,8 × 10⁵ J/L – Direita: energia ultrassónica fornecida 5,4 × 10⁵ J/L
(Estudo e imagens: ©Fasaki et al., 2012)

 
A moagem e a dispersão ultrassónicas melhoram a qualidade da tinta ao melhorar o seu poder corante, densidade, finura de moagem, dispersão e reologia.

Condições de dispersão e moagem ultrassónicas

A qualidade das tintas e dos revestimentos depende da dispersão homogénea dos pigmentos. A Hielscher Ultrasonics fornece equipamento eficaz de moagem e trituração para a dispersão de tintas, especialmente para formulações com elevados teores de pigmentos. O mecanismo dos dispersores ultrassónicos para aplicações de moagem, trituração, desaglomeração e dispersão baseia-se principalmente no princípio do cisalhamento gerado pela cavitação ultrassónica. As forças de cisalhamento cavitacional necessárias à dissociação das partículas são produzidas por elevadas diferenças de pressão, pontos quentes locais e jatos de líquido, que provocam a fragmentação das partículas por colisão entre partículas.
Os dispersores ultrassónicos industriais, como o UIP16000hdT, com 16 000 watts por sonda ultrassónica, têm capacidade para processar fluxos de grande volume de tintas e revestimentos.

A tinta de giz sonicada no grindómetro demonstra a desaglomeração e a distribuição do tamanho das partículas dos pigmentos perfeitamente uniformes

Dispersão de nanopartículas

A moagem e a dispersão ultrassónicas são frequentemente o único método para processar nanopartículas de forma eficiente, de modo a obter partículas primárias dispersas individualmente. Um tamanho reduzido das partículas primárias resulta numa grande área superficial e está correlacionado com a manifestação de características e funcionalidades únicas das partículas. Ao mesmo tempo, um tamanho de partícula menor está associado a uma elevada energia superficial, que intensifica a agregação e a reatividade, pelo que são necessárias as intensas forças de dispersão ultrassónica para dispersar as nanopartículas de forma homogénea na formulação.
Além disso, um tratamento ultrassónico da superfície pode modificar as nanopartículas, o que conduz a melhorias da dispersibilidade, da estabilidade da dispersão, da hidrofobicidade e de outras características.
Os investigadores recomendaram o método de dispersão ultrassónica para nanopartículas como solução preferencial, “porque o material disperso pelo método ultrassónico é muito mais puro do que o produzido por moagem em moinho de esferas.” [Kim et al. 2010].

A técnica de dispersão ultrassónica apresenta muitas vantagens em comparação com as tecnologias de moagem tradicionais, como os moinhos de três rolos, de bolas ou de meios de moagem.

Leia mais sobre a homogeneização e a dispersão ultrassónicas de pigmentos e corantes para concentrados e formulações de tintas!

Bibliografia / Referências

• 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.