Ультразвук в разработке рецептур покрытий

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

Ультразвук используется при разработке рецептур покрытий для:

• эмульгирования полимеров в водных системах
• диспергирования и тонкого измельчения пигментов
• уменьшения размера наноматериалов в высокоэффективных покрытиях

Покрытия подразделяются на две основные категории: смолы и покрытия на водной основе и на основе растворителей. Для каждого типа характерны свои сложности. Требования по сокращению содержания летучих органических соединений (ЛОС) и высокие цены на растворители стимулируют развитие технологий покрытий на основе водных смол. Применение обработки ультразвуком может улучшить эксплуатационные характеристики таких экологичных систем.

Улучшение рецептур покрытий благодаря обработке ультразвуком

Ультразвук может помочь разработчикам рецептур строительных, промышленных, автомобильных покрытий и покрытий для древесины улучшить такие характеристики покрытий, как красящая способность, устойчивость к царапинам, растрескиванию и УФ-излучению или электропроводность. Некоторые из этих характеристик покрытий достигаются за счёт введения наноразмерных материалов, например оксидов металлов (TiO₂, диоксид кремния, диоксид церия, ZnO, …).

Ультразвук также способствует пеногашению (удалению захваченных пузырьков) и дегазации (удалению растворённого газа) высоковязких продуктов. Узнайте больше об ультразвуковой деаэрации и дегазации жидкостей!

Поскольку технология ультразвукового диспергирования может применяться в лаборатории, на настольных установках и в промышленном производстве, обеспечивая производительность свыше 10 тонн/час, её используют на этапе исследований и разработок и в коммерческом производстве. Результаты процесса можно легко и линейно масштабировать.

Ультразвуковые устройства Hielscher обладают очень высокой энергоэффективностью. Устройства преобразуют приблизительно от 80 до 90% входной электрической мощности в механическое воздействие в жидкости. Это существенно снижает затраты на обработку.

Перейдя по ссылкам ниже, вы можете узнать больше о применении высокоэффективного ультразвука для

• эмульгирования полимеров в водных системах,
• диспергирования и тонкого измельчения пигментов,
• и уменьшения размера наноматериалов.

Эмульсионная полимеризация с использованием обработки ультразвуком

Традиционные рецептуры покрытий основаны на базовой химии полимеров. Переход к технологии покрытий на водной основе влияет на выбор сырья, свойства и методы разработки рецептур.

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

Обработка ультразвуком может использоваться двумя способами для получения полимерных эмульсий.

• Сверху вниз: Эмульгирование/диспергирование крупных полимерных частиц для получения более мелких частиц путём уменьшения размера
• Снизу вверх: Использование ультразвука до или во время полимеризации частиц

 

В этом видео мы показываем ультразвуковую систему мощностью 2 киловатта для работы в потоке, размещённую в продуваемом шкафу. Hielscher поставляет ультразвуковое оборудование практически для всех отраслей, включая химическую, фармацевтическую и косметическую промышленность, нефтехимические процессы, а также экстракцию с применением растворителей. Этот продуваемый шкаф из нержавеющей стали предназначен для эксплуатации во взрывоопасных зонах. Для предотвращения попадания горючих газов или паров внутрь герметичного шкафа заказчик может продувать его азотом или свежим воздухом.

 

Наночастицы полимеров в миниэмульсиях

Полимеризация частиц в миниэмульсиях позволяет получать диспергированные полимерные частицы с хорошим контролем их размера. Синтез наночастиц полимеров в миниэмульсиях (также известных как нанореакторы), представленный K. Landfester (2001), является превосходным методом получения полимерных наночастиц. В этом подходе большое количество малых нанообъёмов (дисперсная фаза) в эмульсии используется в качестве нанореакторов. В них частицы синтезируются с высокой степенью параллельности в отдельных, ограниченных по объёму каплях. В своей статье Landfester (2001) представляет весьма совершенный процесс полимеризации в нанореакторах для получения частиц с высокой степенью идентичности и почти одинаковым размером. На изображении выше показаны частицы, полученные посредством полиаддиции в миниэмульсиях при содействии ультразвука.

Малые капли, образованные при воздействии высоких сдвиговых усилий (обработки ультразвуком) и стабилизированные стабилизирующими агентами (эмульгаторами), могут быть отверждены посредством последующей полимеризации или снижения температуры в случае материалов с низкой температурой плавления. Поскольку обработка ультразвуком позволяет получать очень малые капли почти одинакового размера как при периодической обработке, так и в производственном процессе, она обеспечивает хороший контроль конечного размера частиц. Для полимеризации наночастиц гидрофильные мономеры можно эмульгировать в органической фазе, а гидрофобные мономеры – в воде.

При уменьшении размера частиц одновременно увеличивается их общая площадь поверхности. Изображение слева показывает взаимосвязь между размером частиц и площадью поверхности для сферических частиц. Поэтому количество поверхностно-активного вещества, необходимое для стабилизации эмульсии, увеличивается почти линейно с общей площадью поверхности частиц. Тип и количество поверхностно-активного вещества влияют на размер капель. При использовании анионных или катионных поверхностно-активных веществ можно получить капли размером от 30 до 200nm.

Пигменты в покрытиях

Органические и неорганические пигменты являются важным компонентом рецептур покрытий. Для достижения максимальной эффективности пигмента необходим хороший контроль размера частиц. При добавлении пигментного порошка в водные системы, системы на основе растворителей или эпоксидные системы отдельные частицы пигмента склонны образовывать крупные агломераты. Для разрушения таких агломератов и измельчения отдельных частиц пигмента традиционно применяются механизмы с высокими сдвиговыми усилиями, такие как роторно-статорные смесители или бисерные мельницы с мешалкой. Обработка ультразвуком является чрезвычайно эффективной альтернативой для этого этапа производства покрытий.

Графики ниже показывают влияние обработки ультразвуком на размер частиц перламутрового пигмента. Ультразвук измельчает отдельные частицы пигмента за счёт высокоскоростных столкновений между частицами. Выраженным преимуществом обработки ультразвуком является сильное воздействие кавитационных сдвиговых сил, благодаря которому применение мелющих тел (например, бисера, шариков) становится ненужным. Поскольку частицы ускоряются чрезвычайно быстрыми струями жидкости со скоростью до 1000km/hr, они интенсивно сталкиваются и раскалываются на мелкие фрагменты. Истирание частиц придаёт измельчённым ультразвуком частицам гладкую поверхность. В целом ультразвуковое измельчение и диспергирование обеспечивают распределение мелких частиц с однородным размером.

 

Ультразвуковое измельчение и диспергирование часто превосходят высокоскоростные смесители и мельницы с мелющими телами, поскольку обработка ультразвуком обеспечивает более равномерную обработку всех частиц. Как правило, обработка ультразвуком позволяет получать частицы меньшего размера и узкое распределение частиц по размерам (кривые измельчения пигментов). Это улучшает общее качество пигментных дисперсий, поскольку более крупные частицы обычно ухудшают технологичность обработки, блеск, стойкость и оптический внешний вид.

Поскольку измельчение и размол частиц основаны на столкновениях между частицами в результате ультразвуковой кавитации, ультразвуковые реакторы могут обрабатывать достаточно высокие концентрации твёрдых веществ (например, концентраты) и при этом обеспечивать хорошее уменьшение размера частиц. В таблице ниже приведены изображения мокрого измельчения TiO2.

На графике ниже показаны кривые распределения частиц по размерам при деагломерации диоксида титана Degussa в форме анатаза посредством обработки ультразвуком. Узкая форма кривой после обработки ультразвуком является характерной особенностью ультразвуковой обработки.

Наноразмерные материалы в высокоэффективных покрытиях

Нанотехнология – развивающаяся технология, которая проникает во многие отрасли. Наноматериалы и нанокомпозиты используются в рецептурах покрытий, например для повышения устойчивости к истиранию и царапинам или УФ-стабильности. Самая большая сложность при применении в покрытиях заключается в сохранении прозрачности, оптической чистоты и блеска. Поэтому наночастицы должны быть очень малыми, чтобы не взаимодействовать с видимым спектром света. Для многих применений этот размер существенно меньше 100nm.

Мокрое измельчение высокоэффективных компонентов до нанометрового диапазона становится ключевым этапом разработки рецептур покрытий с наноструктурой. Любые частицы, взаимодействующие с видимым светом, вызывают помутнение и потерю прозрачности. Поэтому требуются очень узкие распределения по размерам. Обработка ультразвуком является очень эффективным средством тонкого измельчения твёрдых веществ. Ультразвуковая / акустическая кавитация в жидкостях вызывает высокоскоростные столкновения между частицами. В отличие от обычных бисерных и галечных мельниц, сами частицы измельчают друг друга, что делает мелющие тела ненужными.

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

Для обработки ультразвуком легковоспламеняющихся жидкостей или растворителей во взрывоопасных средах доступны процессоры, сертифицированные по ATEX. Узнайте больше об ультразвуковом аппарате UIP1000-Exd, сертифицированном по Atex!