Ultrasunetele în formularea acoperirilor

Diverse componente, precum pigmenți, materiale de umplutură, aditivi chimici, agenți de reticulare și modificatori de reologie, intră în formulările de acoperiri și vopsele. Ultrasunetele reprezintă un mijloc eficient pentru dispersarea și emulsificarea, dezaglomerarea și măcinarea acestor componente în acoperiri.

Ultrasunetele sunt utilizate în formularea acoperirilor pentru:

• emulsificarea polimerilor în sisteme apoase
• dispersarea și măcinarea fină a pigmenților
• reducerea dimensiunii nanomaterialelor în acoperirile de înaltă performanță

Acoperirile se împart în două categorii mari: rășini și acoperiri pe bază de apă și pe bază de solvenți. Fiecare tip are propriile provocări. Direcțiile care impun reducerea COV și prețurile ridicate ale solvenților stimulează creșterea tehnologiilor de acoperiri cu rășini pe bază de apă. Utilizarea sonicării poate îmbunătăți performanța acestor sisteme ecologice.

Formularea îmbunătățită a acoperirilor datorită sonicării

Ultrasunetele îi pot ajuta pe formulatorii de acoperiri arhitecturale, industriale, auto și pentru lemn să îmbunătățească caracteristicile acoperirilor, precum puterea de colorare, rezistența la zgâriere, la fisurare și la UV sau conductivitatea electrică. Unele dintre aceste caracteristici ale acoperirilor se obțin prin includerea de materiale de dimensiuni nanometrice, de ex. oxizi metalici (TiO₂, silice, oxid de ceriu, ZnO, …).

În plus, ultrasunetele ajută la eliminarea spumei (bule înglobate) și la degazarea (gaz dizolvat) produselor foarte vâscoase. Citiți mai multe despre dezaerarea și degazarea lichidelor cu ultrasunete!

Deoarece tehnologia de dispersare cu ultrasunete poate fi utilizată la nivel de laborator, de banc de lucru și de producție industrială, permițând capacități de procesare de peste 10 tone/oră, aceasta este aplicată atât în etapa de cercetare și dezvoltare (R&D), cât și în producția comercială. Rezultatele procesului pot fi transpuse la scară mare ușor și liniar.

Dispozitivele cu ultrasunete Hielscher sunt foarte eficiente din punct de vedere energetic. Dispozitivele convertesc aprox. 80 până la 90% din puterea electrică de intrare în activitate mecanică în lichid. Acest lucru duce la costuri de procesare substanțial mai mici.

Urmând linkurile de mai jos, puteți citi mai multe despre utilizarea ultrasunetelor de înaltă performanță pentru

• emulsificarea polimerilor în sisteme apoase,
• dispersarea și măcinarea fină a pigmenților,
• și reducerea dimensiunii nanomaterialelor.

Polimerizarea în emulsie prin sonicare

Formulările tradiționale de acoperiri utilizează chimia de bază a polimerilor. Trecerea la tehnologia acoperirilor pe bază de apă are un impact asupra selecției materiilor prime, a proprietăților și a metodologiilor de formulare.

În polimerizarea convențională în emulsie, de ex. pentru acoperirile pe bază de apă, particulele sunt construite de la centru spre suprafața lor. Factorii cinetici influențează omogenitatea și morfologia particulelor.

Procesarea cu ultrasunete poate fi utilizată în două moduri pentru a genera emulsii polimerice.

• De sus în jos (top-down): Emulsificarea/dispersarea particulelor polimerice mai mari pentru a genera particule mai mici prin reducerea dimensiunii
• De jos în sus (bottom-up): Utilizarea ultrasunetelor înainte de sau în timpul polimerizării particulelor

 

În acest videoclip vă prezentăm un sistem ultrasonic de 2 kilowați pentru funcționare în flux, instalat într-un dulap cu purjare. Hielscher furnizează echipamente ultrasonice pentru aproape toate sectoarele industriale, precum industria chimică, farmaceutică și cosmetică, pentru procese petrochimice, precum și pentru procese de extracție cu solvenți. Acest dulap din oțel inoxidabil, prevăzut cu purjare, este conceput pentru funcționarea în zone periculoase. În acest scop, clientul poate purja dulapul etanș cu azot sau aer proaspăt pentru a împiedica pătrunderea gazelor sau vaporilor inflamabili în dulap.

 

Polimeri nanoparticulați în miniemulsii

Polimerizarea particulelor în miniemulsii permite fabricarea de particule polimerice dispersate cu un bun control asupra dimensiunii particulelor. Sinteza particulelor polimerice nanoparticulate în miniemulsii (cunoscute și ca nanoreactoare), așa cum a fost prezentată de K. Landfester (2001), este o metodă excelentă pentru formarea nanoparticulelor polimerice. Această abordare utilizează numărul mare de nanocompartimente mici (faza dispersă) dintr-o emulsie drept nanoreactoare. În acestea, particulele sunt sintetizate într-un mod puternic paralel, în picăturile individuale, delimitate. În lucrarea sa, Landfester (2001) prezintă polimerizarea în nanoreactoare la un înalt grad de perfecțiune pentru generarea de particule foarte identice, de dimensiune aproape uniformă. Imaginea de mai sus prezintă particule obținute prin poliadiție asistată de ultrasunete în miniemulsii.

Picăturile mici generate prin aplicarea unei forfecări ridicate (sonicare) și stabilizate cu agenți de stabilizare (emulgatori) pot fi întărite prin polimerizare ulterioară sau prin scăderea temperaturii, în cazul materialelor cu punct de topire scăzut. Deoarece sonicarea poate produce picături foarte mici, de dimensiune aproape uniformă, atât în procesele discontinue (batch), cât și în cele de producție, aceasta permite un bun control asupra dimensiunii finale a particulelor. Pentru polimerizarea nanoparticulelor, monomerii hidrofili pot fi emulsificați într-o fază organică, iar monomerii hidrofobi în apă.

La reducerea dimensiunii particulelor, suprafața totală a particulelor crește în același timp. Imaginea din stânga arată corelația dintre dimensiunea particulelor și suprafață în cazul particulelor sferice. Prin urmare, cantitatea de surfactant necesară pentru stabilizarea emulsiei crește aproape liniar cu suprafața totală a particulelor. Tipul și cantitatea de surfactant influențează dimensiunea picăturilor. Picături de 30 până la 200nm pot fi obținute folosind surfactanți anionici sau cationici.

Pigmenți în acoperiri

Pigmenții organici și anorganici sunt o componentă importantă a formulărilor de acoperiri. Pentru a maximiza performanța pigmenților, este necesar un bun control asupra dimensiunii particulelor. La adăugarea pulberii de pigment în sisteme pe bază de apă, pe bază de solvenți sau epoxidice, particulele individuale de pigment tind să formeze aglomerate mari. Mecanisme cu forfecare ridicată, precum mixerele rotor-stator sau morile cu bile cu agitator, sunt utilizate în mod convențional pentru a sparge astfel de aglomerate și pentru a măcina particulele individuale de pigment. Sonicarea este o alternativă extrem de eficientă pentru această etapă în fabricarea acoperirilor.

Graficele de mai jos arată impactul sonicării asupra dimensiunii unui pigment cu luciu perlat. Ultrasunetele macină particulele individuale de pigment prin coliziuni de mare viteză între particule. Avantajul important al sonicării este impactul ridicat al forțelor de forfecare cavitaționale, care face inutilă utilizarea mediilor de măcinare (de ex. bile, perle). Deoarece particulele sunt accelerate de jeturi de lichid extrem de rapide, de până la 1000km/h, acestea se ciocnesc violent și se sparg în bucăți mici. Abraziunea particulelor conferă particulelor măcinate cu ultrasunete o suprafață netedă. În ansamblu, măcinarea și dispersarea cu ultrasunete au ca rezultat o distribuție fină și uniformă a particulelor.

Măcinarea și dispersarea cu ultrasunete depășesc adesea mixerele de mare viteză și morile cu medii de măcinare, deoarece sonicarea asigură o procesare mai uniformă a tuturor particulelor. În general, sonicarea produce dimensiuni mai mici ale particulelor și o distribuție îngustă a dimensiunii particulelor (curbe de măcinare a pigmenților). Acest lucru îmbunătățește calitatea generală a dispersiilor de pigmenți, deoarece particulele mai mari interferează de obicei cu procesabilitatea, luciul, rezistența și aspectul optic.

Deoarece măcinarea și mărunțirea particulelor se bazează pe coliziunile dintre particule ca rezultat al cavitației ultrasonice, reactoarele cu ultrasunete pot gestiona concentrații destul de ridicate de solide (de ex. masterbatch-uri) și pot produce totuși efecte bune de reducere a dimensiunii. Tabelul de mai jos prezintă imagini ale măcinării umede a TiO2.

Graficul de mai jos arată curbele de distribuție a dimensiunii particulelor pentru dezaglomerarea dioxidului de titan anatas Degussa prin sonicare. Forma îngustă a curbei după sonicare este o caracteristică tipică a procesării cu ultrasunete.

Materiale nanometrice în acoperiri de înaltă performanță

Nanotehnologia este o tehnologie emergentă care își face loc în multe industrii. Nanomaterialele și nanocompozitele sunt utilizate în formulările de acoperiri, de ex. pentru a îmbunătăți rezistența la abraziune și la zgâriere sau stabilitatea la UV. Cea mai mare provocare pentru aplicarea în acoperiri este păstrarea transparenței, clarității și luciului. Prin urmare, nanoparticulele trebuie să fie foarte mici pentru a evita interferența cu spectrul vizibil al luminii. Pentru multe aplicații, aceasta înseamnă substanțial sub 100nm.

Măcinarea umedă a componentelor de înaltă performanță până în domeniul nanometric devine o etapă crucială în formularea acoperirilor nanoinginerite. Orice particule care interferează cu lumina vizibilă cauzează voalare și pierderea transparenței. Prin urmare, sunt necesare distribuții foarte înguste ale dimensiunii. Sonicarea este un mijloc foarte eficient pentru măcinarea fină a solidelor. Cavitația ultrasonică / acustică din lichide cauzează coliziuni de mare viteză între particule. Spre deosebire de morile convenționale cu bile și de morile cu galeți, particulele se mărunțesc reciproc, făcând inutile mediile de măcinare.

Companii precum Panadur (Germania) utilizează sonicatoarele Hielscher pentru dispersarea și dezaglomerarea nanomaterialelor în acoperirile in-mould. Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre dispersarea cu ultrasunete a acoperirilor in-mould!

Pentru sonicarea lichidelor sau solvenților inflamabili în medii periculoase sunt disponibile procesoare certificate ATEX. Aflați mai multe despre sonicatorul certificat Atex UIP1000-Exd!