Ultrasunete pentru dispersare și măcinare: vopsele și pigmenți

Ultrasunetele de putere sunt bine cunoscute pentru efectele lor intense și precis controlabile de măcinare și dispersare. Acest lucru face ca omogenizatoarele cu ultrasunete să fie ideale pentru producția de paste de pigmenți și formulări de vopsea. Sonicatoarele industriale asigură o distribuție foarte uniformă a dimensiunii particulelor în domeniul micronic și nanometric. Procesați fluxuri de volum mare cu vâscozități ridicate cu sonicatoarele Hielscher pentru a obține umectare, dispersare, dezaglomerare și măcinare omogene!

Fabricarea vopselelor cu ultrasunete

Îmbunătățiți-vă vopselele, culorile și acoperirile prin sonicare:

• Formulare: Fie că este vorba de vâscozități ridicate, încărcări mari de particule, formulări apoase sau pe bază de solvenți – cu sonicatoarele industriale în linie Hielscher puteți procesa orice formulare.
• Dimensiuni micronice și nanometrice: Forțele mari de forfecare generate de cavitația acustică reduc particulele la diametre extrem de mici și asigură o dispersie uniformă. Ajustarea parametrilor de sonicare la cerințele particulelor și ale formulării dumneavoastră permite o producție fiabilă de pigmenți de dimensiuni nanometrice.
• Proprietăți optice: Pentru a obține proprietățile optice corecte, dimensiunea particulelor de pigment trebuie controlată. De obicei, opacitatea se corelează cu dimensiunea particulelor: cu cât particulele sunt mai fine, cu atât opacitatea este mai mare. De exemplu, TiO2 este procesat în mod specific la o dimensiune a particulelor de 0,20 până la 0,3 microni, ceea ce reprezintă aproximativ echivalentul a jumătate din lungimea de undă a luminii. Sonicarea reduce pigmenții de TiO2 la dimensiunea lor optimă, astfel încât se obține o putere de acoperire maximă.
• Particule de înaltă performanță: Dimensiunile mai mici ale particulelor au ca rezultat o saturație mai mare a culorii, o consistență și o stabilitate mai bune ale culorii. Forțele ultrasonice intense, dar precis controlabile, permit producerea de nanoparticule modificate și funcționalizate, cum ar fi particule acoperite, SWNT, MWCNT și particule de tip miez-înveliș. Astfel de particule prezintă caracteristici unice și ridică formulările de vopsele sau acoperiri la un nou nivel de calitate și funcționalitate (de ex. rezistență la UV, rezistență la zgâriere, rezistență mecanică, aderență, rezistență ridicată la căldură, reflectivitate în infraroșu și solară).
• Particule modificate: Pigmenții modificați la suprafață au o vâscozitate foarte scăzută la încărcări mari de pigment (2,5cP la 10% substanță solidă), o stabilitate superioară a suspensiei și o puritate ridicată. Funcționalizarea particulelor asistată de ultrasunete face simplă sinteza pigmenților de înaltă performanță cu caracteristici speciale.

Pastele de pigmenți măcinate și dispersate cu ajutorul cavitației ultrasonice și al forțelor mari de forfecare prezintă o reducere semnificativă a dimensiunii și o distribuție uniformă. Graficul de mai sus arată reducerea crescândă a dimensiunii la creșterea energiei ultrasonice.

Pentru producția de vopsea, componentele precum pigmenții, lianții/ formatorii de film, diluanții/ solvenții, rășinile, materialele de umplutură și aditivii trebuie amestecate într-o formulare omogenă. Pigmenții sunt componenta determinantă care conferă vopselei culoarea. Cel mai important pigment alb este TiO2, care trebuie măcinat la o dimensiune optimă a particulelor între 0,2 și 0,3 microni în diametru pentru a prezenta gradul dorit de alb, strălucire, opacitate și un indice de refracție foarte ridicat. Forțele de forfecare ultrasonice asigură o dezaglomerare și o dispersare foarte eficace și eficiente energetic a particulelor de TiO2 (vezi imaginea de mai jos).

TEM al unei suspensii de nanoparticule de TiO2 dispersate cu ultrasunete, cu diferite concentrații de substanță solidă. Sonicarea a fost efectuată cu sonicatorul UIP1000hdT
Stânga: aport de energie ultrasonică 1,8 × 10⁵ J/L – Dreapta: aport de energie ultrasonică 5,4 × 10⁵ J/L
(Studiu și imagini: ©Fasaki et al., 2012)

 
Măcinarea și dispersarea cu ultrasunete îmbunătățesc calitatea vopselei prin îmbunătățirea puterii de colorare, a densității, a fineții de măcinare, a dispersiei și a reologiei.

Condiții de dispersare și măcinare cu ultrasunete

Calitatea vopselelor și a acoperirilor depinde de dispersia omogenă a pigmenților. Hielscher Ultrasonics furnizează echipamente eficace de măcinare și mărunțire pentru dispersarea vopselelor, în special pentru formulări cu încărcări mari de pigment. Mecanismul dispersoarelor cu ultrasunete pentru aplicații de măcinare, mărunțire, dezaglomerare și dispersare se bazează în principal pe principiul forfecării generate de cavitația ultrasonică. Forțele de forfecare cavitaționale necesare pentru disocierea particulelor sunt produse de diferențe mari de presiune, puncte fierbinți locale și jeturi de lichid, ceea ce duce la fragmentarea particulelor prin coliziuni între particule.
Dispersoarele industriale cu ultrasunete, precum UIP16000hdT cu 16.000 wați per sonotrodă, au capacitatea de a procesa fluxuri de volum mare de vopsele și acoperiri.

Vopseaua cu cretă sonicată, pe grindometru, demonstrează dezaglomerarea perfect uniformă și distribuția perfect uniformă a dimensiunii particulelor de pigment

Dispersarea nanoparticulelor

Măcinarea și dispersarea cu ultrasunete reprezintă adesea singura metodă de a procesa eficient nanoparticulele pentru a obține particule primare dispersate individual. O dimensiune mică a particulelor primare are ca rezultat o suprafață specifică mare și se corelează cu manifestarea unor caracteristici și funcționalități unice ale particulelor. În același timp, o dimensiune mai mică a particulelor este asociată cu o energie de suprafață ridicată, care determină o agregare și o reactivitate mai puternice, astfel încât sunt necesare forțele intense de dispersare ultrasonică pentru a dispersa nanoparticulele omogen în formulare.
În plus, un tratament de suprafață cu ultrasunete poate modifica nanoparticulele, ceea ce duce la o dispersabilitate, o stabilitate a dispersiei, o hidrofobicitate și alte caracteristici îmbunătățite.
Cercetătorii au recomandat metoda de dispersare cu ultrasunete pentru nanoparticule ca soluție preferată, „deoarece materialul dispersat prin metoda ultrasonică este mult mai pur decât cel produs prin măcinare în moara cu bile.” [Kim et al. 2010].

Tehnica de dispersare cu ultrasunete are numeroase avantaje în comparație cu tehnologiile tradiționale de măcinare, cum ar fi morile cu trei cilindri, morile cu bile sau morile cu medii de măcinare.

Aflați mai multe despre omogenizarea și dispersarea cu ultrasunete a pigmenților și coloranților pentru masterbatch-uri și formulări de vopsea!

Literatură / Referințe

• 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.