Ультразвук в рецептуре покрытий

Различные компоненты, такие как пигменты, наполнители, химические добавки, сшивающие агенты и модификаторы реологии, входят в составы покрытий и красок. Ультразвук является эффективным средством для диспергирования и эмульгирования, деагломерации и измельчения таких компонентов в покрытиях.

Ультразвук используется в рецептуре покрытий для:

• Эмульгирование полимеров в водных системах
• диспергирование и тонкое измельчение пигментов
• Уменьшение размеров наноматериалов в высокоэффективных покрытиях

Покрытия делятся на две большие категории: смолы и покрытия на водной основе и на основе растворителей. У каждого типа есть свои проблемы. Направления, призывающие к сокращению выбросов летучих органических соединений и высокие цены на растворители, стимулируют рост технологий нанесения покрытий на основе водоразбавляемых смол. Использование ультразвука может повысить производительность таких экологически чистых систем.

Улучшенная рецептура покрытия за счет ультразвука

Ультразвук может помочь разработчикам архитектурных, промышленных, автомобильных и деревянных покрытий улучшить характеристики покрытия, такие как прочность цвета, устойчивость к царапинам, трещинам и ультрафиолетовому излучению или электропроводность. Некоторые из этих характеристик покрытий достигаются за счет включения наноразмерных материалов, например, оксидов металлов (TiO₂, диоксид кремния, церия, ZnO, …).

Ультразвук также помогает в пенообразовании (улавливание пузырьков) и дегазации (растворенный газ) продуктов с высокой вязкостью. Узнайте больше об ультразвуковой деаэрации и дегазации жидкостей!

Поскольку технология ультразвукового диспергирования может использоваться на лабораторном, настольном и промышленном уровне, обеспечивая производительность более 10 тонн/час, она применяется в R&D и в коммерческой постановке. Результаты процессов можно легко масштабировать и линейно.

Ультразвуковые аппараты Hielscher очень энергоэффективны. Устройства преобразуют от 80 до 90% входной электрической мощности в механическую активность в жидкости. Это приводит к значительному снижению затрат на обработку.

Перейдя по ссылкам ниже, вы можете узнать больше об использовании высокоэффективного ультразвука для

• Эмульгирование полимеров в водных системах,
• диспергирование и тонкое измельчение пигментов,
• и Уменьшение наноматериалов в измельчении.

Эмульсионная полимеризация с помощью ультразвука

В традиционных составах покрытий используется базовая химия полимеров. Переход к технологии нанесения покрытий на водной основе оказывает влияние на выбор сырья, свойства и методики разработки рецептур.

При обычной эмульсионной полимеризации, например, для покрытий на водной основе, частицы накапливаются от центра к поверхности. Кинетические факторы влияют на однородность и морфологию частиц.

Ультразвуковая обработка может быть использована двумя способами получения полимерных эмульсий.

• Сверху вниз: Эмульгирующие/Диспергирующий более крупных полимерных частиц для получения более мелких частиц за счет уменьшения размера
• снизу вверх: Использование ультразвука до или во время полимеризации частиц

 

 

Нанодисперсные полимеры в минэмульсиях

Полимеризация частиц в минэмульсиях позволяет получать дисперсные полимерные частицы с хорошим контролем размера частиц. Синтез полимерных частиц наночастиц в миниэмульсиях (также известных как нанореакторы), представленный К. Ландфестером (2001), является отличным методом получения полимерных наночастиц. Этот подход использует большое количество небольших нанокомпартментов (дисперсной фазы) в эмульсии в качестве нанореакторов. В них частицы синтезируются очень параллельным образом в отдельных, ограниченных каплях. В своей статье Ландфестер (2001) представляет полимеризацию в нанореакторах в высоком совершенстве для получения совершенно идентичных частиц почти одинакового размера. На изображении выше показаны частицы, полученные методом полисложения с помощью ультразвука в минэмульсиях.

Мелкие капли, образующиеся при применении высоких сдвиговых усилий (ультразвуком) и стабилизированные стабилизирующими агентами (эмульгаторами), могут затвердевать при последующей полимеризации или при снижении температуры в случае низкотемпературных плавких материалов. Поскольку ультразвук может производить очень мелкие капли почти одинакового размера в партии и производственном процессе, он позволяет хорошо контролировать конечный размер частиц. Для полимеризации наночастиц гидрофильные мономеры могут быть эмульгированы в органическую фазу, а гидрофобные мономеры – в воду.

При уменьшении размера частиц одновременно увеличивается общая площадь поверхности частиц. На рисунке слева показана корреляция между размером частиц и площадью поверхности в случае сферических частиц. Таким образом, количество поверхностно-активного вещества, необходимого для стабилизации эмульсии, увеличивается почти линейно с общей площадью поверхности частицы. Тип и количество поверхностно-активного вещества влияет на размер капель. Капли размером от 30 до 200 нм могут быть получены с использованием анионных или катионных поверхностно-активных веществ.

Пигменты в покрытиях

Органические и неорганические пигменты являются важным компонентом рецептур покрытий. Для того, чтобы максимизировать эффективность пигмента, необходим хороший контроль над размером частиц. При добавлении пигментного порошка в водоразбавляемые, растворимые или эпоксидные системы отдельные частицы пигмента имеют тенденцию образовывать большие агломераты. Механизмы с большими сдвиговыми усилиями, такие как роторно-статорные смесители или бисерные мельницы с мешалкой, обычно используются для дробления таких агломератов и измельчения отдельных частиц пигмента. Ультразвуковое воздействие является чрезвычайно эффективной альтернативой для этого этапа производства покрытий.

На приведенных ниже графиках показано влияние ультразвуковой обработки на размер пигмента жемчужного блеска. Ультразвук измельчает отдельные частицы пигмента путем высокоскоростного столкновения между частицами. Важным преимуществом ультразвуковой обработки является высокая воздействие, возникающая при воздействии кавитационных сил сдвига, что делает ненужным использование мелющих тел (например, бусин, жемчуг). Поскольку частицы ускоряются чрезвычайно быстрыми струями жидкости со скоростью до 1000 км/ч, они сильно сталкиваются и разбиваются на мелкие кусочки. Истирание частиц придает частицам, измельченным ультразвуком, гладкую поверхность. В целом, ультразвуковое измельчение и диспергирование приводят к мелкому размеру и равномерному распределению частиц.

 

Ультразвуковое измельчение и диспергирование часто превосходят высокоскоростные смесители и мельницы с фильтрующими материалами, поскольку ультразвуковая обработка обеспечивает более равномерную обработку всех частиц. Как правило, ультразвуковая обработка приводит к уменьшению размера частиц и узкому распределению частиц по размерам (кривые измельчения пигмента). Это улучшает общее качество дисперсий пигментов, так как более крупные частицы обычно влияют на способность к обработке, блеск, стойкость и оптический вид.

Поскольку измельчение и измельчение частиц основано на столкновении между частицами в результате ультразвуковой кавитации, ультразвуковые реакторы могут работать с довольно высокими концентрациями твердых частиц (например, в суперконцентратах) и при этом производить хорошие эффекты уменьшения размера. В таблице ниже приведены фотографии мокрого помола TiO2.

На приведенном ниже графике представлены кривые распределения частиц по размерам для деагломерации диоксида титана анатаза Degussa ультразвуковым исследованием. Узкая форма кривой после ультразвуковой обработки является характерной чертой ультразвуковой обработки.

Наноразмерные материалы в высокоэффективных покрытиях

Нанотехнологии – это новая технология, которая проникает во многие отрасли промышленности. Наноматериалы и нанокомпозиты используются в составах покрытий, например, для повышения стойкости к истиранию и царапинам или устойчивости к ультрафиолетовому излучению. Самой большой проблемой при нанесении покрытий является сохранение прозрачности, чистоты и блеска. Таким образом, наночастицы должны быть очень маленькими, чтобы избежать интерференции с видимым спектром света. Для многих применений это значительно ниже 100 нм.

Мокрое измельчение высокоэффективных компонентов до нанометрового диапазона становится важным этапом в разработке наноинженерных покрытий. Любые частицы, которые мешают видимому свету, вызывают помутнение и потерю прозрачности. Поэтому требуются очень узкие распределения по размерам. Ультразвуковое измельчение является очень эффективным средством для тонкого измельчения твердых веществ. Ультразвуковая / акустическая кавитация в жидкостях вызывает высокоскоростные столкновения между частицами. В отличие от обычных бисерных мельниц и галечных мельниц, сами частицы измельчают друг друга, что делает ненужными измельчающие материалы.

Такие компании, как Panadur (Германия) использовать ультразвуковые аппараты Hielscher для диспергирования и деагломерации наноматериалов в формовочных покрытиях. Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом диспергировании покрытий в форме!

Для обработки ультразвуком легковоспламеняющихся жидкостей или растворителей в опасных средах доступны процессоры, сертифицированные ATEX. Узнайте больше о ультразвуковом аппарате UIP1000-Exd, сертифицированном компанией Atex!