Высокоэффективные клеевые составы – улучшение с помощью ультразвукового диспергирования

Высокоэффективные клеи создаются на основе эпоксидных, силиконовых, полиуретановых, полисульфидных или акриловых систем, содержащих различные (нано-)наполнители и добавки, которые придают клею особые эксплуатационные свойства, такие как прочность клеевого соединения, малый вес, долговечность, термостойкость и экологическая устойчивость. Для приготовления высокоэффективных клеев необходимо эффективное и надежное смешивание. Ультразвуковое диспергирование и эмульгирование применяются для равномерного объединения различных компонентов в однородные клеевые смеси. Обработка ультразвуком в потоке надежно и эффективно смешивает даже высоковязкие материалы и составы с высоким содержанием нанонаполнителей, позволяя получать клеи с превосходными характеристиками.

Высокие ультразвуковые сдвиговые усилия для диспергирования высокоэффективных клеев

Высокоэффективные клеи обеспечивают исключительную прочность клеевого соединения, долговечность и малый вес. В зависимости от конечного применения полимеры, сополимеры и многочисленные добавки объединяют в составы по тщательно разработанным рецептурам.

Эпоксидные, силиконовые, полиуретановые и акриловые системы для клеевых составов производятся разработчиками рецептур, которые модифицируют клеевую основу, добавляя вещества для повышения липкости, минеральные наполнители (тальк, диоксид кремния, оксид алюминия и т. д.), добавки для повышения гибкости, понизители вязкости, красители, загустители, ускорители, усилители адгезии и т. д. Эти модификации служат нескольким целям, например улучшению эксплуатационных характеристик и/или удобства переработки либо снижению затрат. Ультразвуковые диспергаторы с высокими сдвиговыми усилиями идеально подходят для приготовления различных эпоксидных систем в потоке и позволяют гибко производить клеи, адаптированные к требованиям конкретных применений.

Ультразвуковые смесители с высокими сдвиговыми усилиями для сложных задач диспергирования и эмульгирования

Высокопроизводительные ультразвуковые процессоры работают как смесители с высокими сдвиговыми усилиями. Чрезвычайно высокие сдвиговые усилия создаются ультразвуковой / акустической кавитацией и идеально подходят для эмульгирования, диспергирования, помола, деагломерации и гомогенизации в периодическом и поточном режимах. Ультразвуковые проточные диспергаторы позволяют легко обрабатывать составы с концентрациями твердых веществ и вязкостью от низких до высоких.

Ультразвуковое смешивание наноматериалов в клеях с высокими сдвиговыми усилиями

Наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки (CNTs), металлические наночастицы, нанодиоксид кремния, наноглины, нановолокна и многие другие частицы наноразмера, используются для производства наноармированных полимеров (нанокомпозитов). Наночастицы хорошо известны своей способностью изменять механические свойства (например, жесткость, упругость), электрические свойства (например, проводимость), функциональные свойства (например, проницаемость, температуру стеклования, модуль) и характеристики разрушения термореактивных полимерных клеев. Наноматериалы не только придают особые высокие эксплуатационные характеристики, такие как прочность клеевого соединения, долговечность, conduciveness, упругость или термостойкость; добавление наноструктурированных частиц также может улучшать барьерные свойства полимеров.
Высокие сдвиговые усилия акустической кавитации, создаваемой ультразвуком, хорошо известны своей способностью деагломерировать и диспергировать наночастицы и даже разрушать первичные частицы (то есть осуществлять ультразвуковой помол). Когда эти ультразвуковые усилия воздействуют на полимерные системы, содержащие наночастицы и другие наполнители, получается очень однородный состав. Ультразвуковое диспергирование – энергоэффективный метод, потребляющий меньше энергии по сравнению с традиционными методами смешивания под действием сдвига, в которых используются, например, лопастные смесители с высокими сдвиговыми усилиями, импеллерные смесители или мельницы.

В видео показаны ультразвуковое смешивание и диспергирование графита в 250mL эпоксидной смолы (Toolcraft L) с помощью ультразвукового гомогенизатора (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics производит оборудование для диспергирования графита, графена, углеродных нанотрубок, нанопроволок и наполнителей в лаборатории или в крупносерийном производстве. Типичные области применения – диспергирование нано- и микроматериалов в процессе функционализации или их диспергирование в смолах и полимерах.

Kaboori et al. (2013) продемонстрировали, что обработка ультразвуком является эффективным методом диспергирования слоистых структур монтмориллонита (MMT) и разработки клеев на основе PVA, армированных MMT. Было показано, что обработка ультразвуком надежно и эффективно диспергирует наноглину в PVA при низком (1% и 2%) и высоком (4%) содержании.
Исследовательская группа установила, что «ультразвуковой метод очень эффективен для диспергирования наноглины, особенно при высоком содержании, в отличие от высокоскоростного смесителя с высокими сдвиговыми усилиями. Высокоскоростное смешивание позволяло диспергировать наноглину в PVA только при низком содержании и повышало прочность клеевого соединения PVA в различных условиях. Высокоскоростное смешивание имеет некоторые недостатки: возможное повреждение эмульсии PVA (из-за сильного сдвигового усилия, действующего при смешивании), высокую стоимость и высокое энергопотребление. Напротив, ультразвуковой метод оказывает минимальное негативное воздействие на эмульсию PVA. Кроме того, ультразвуковой метод экономичен, поскольку ультразвуковое смешивание может выполняться до производства PVA, а раствор, содержащий наноглину, может добавляться в PVA в процессе производства. С учетом результатов, полученных в этой статье и в нашей предыдущей работе, а также преимуществ ультразвукового метода перед высокоскоростным смешиванием, добавление наноглины в PVA в промышленном масштабе представляется осуществимым и может быть рекомендовано производителям клеев для древесины». (Kaboori et al., 2013)

Эффекты ультразвуковой дегазации при производстве клеев

Дополнительным преимуществом обработки ультразвуком, значительно улучшающим результаты приготовления составов, является дегазирующий эффект ультразвуковой обработки. Высокоскоростное механическое перемешивание (например, лопастными смесителями с высокими сдвиговыми усилиями) создает в смеси большое количество газовых пузырьков, что в некоторых случаях можно заметить даже по осветлению цвета смеси. Ультразвуковое смешивание с высокими сдвиговыми усилиями имеет огромное преимущество: при обработке ультразвуком газы не вводятся в клеевой состав; вместо этого ультразвуковые волны заставляют уже имеющиеся газовые пузырьки сливаться и всплывать на поверхность жидкости, откуда газ легко удаляется. Таким образом, обработка ультразвуком способствует дегазации и деаэрации жидкостей и клеевых составов. (ср. Shadlou et al., 2014)

Высокопроизводительные ультразвуковые диспергаторы для промышленных клеевых составов

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и поставляет высокопроизводительные ультразвуковые диспергаторы для работы в тяжелых условиях, например для изготовления высокоэффективных клеев, высоконаполненных смол и нанокомпозитов. Ультразвуковые аппараты Hielscher используются во всем мире для диспергирования наноматериалов в полимерах, смолах, покрытиях и других высокоэффективных материалах.
В ультразвуковые диспергаторы Hielscher можно подавать различные материалы несколькими потоками в зону кавитационного смешивания при контролируемых условиях течения. Ультразвуковые диспергаторы надежно и эффективно обрабатывают составы с вязкостью от низкой до высокой. В зависимости от сырья и целевого уменьшения размера частиц интенсивность ультразвука можно точно регулировать.
Для обработки вязких полимерных паст, наноматериалов и составов с высокой концентрацией твердых веществ ультразвуковой диспергатор должен быть способен непрерывно обеспечивать высокие амплитуды. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics могут обеспечивать очень высокие амплитуды при непрерывной работе с полной нагрузкой. Амплитуды до 200µm легко поддерживаются в режиме работы 24/7. Возможность работы ультразвукового диспергатора при высоких амплитудах и точной регулировки амплитуды необходима для адаптации условий ультразвукового процесса к приготовлению высокоэффективных клеев, наноармированных полимерных смесей и нанокомпозитов.
Помимо амплитуды ультразвука, еще одним очень важным параметром процесса является давление. При повышенном давлении увеличиваются интенсивность ультразвуковой кавитации и создаваемые ею сдвиговые усилия. Ультразвуковые реакторы Hielscher могут работать под давлением, обеспечивая тем самым усиление результатов обработки ультразвуком.
Контроль процесса и регистрация данных важны для непрерывной стандартизации процесса и качества продукции. Подключаемые датчики давления и температуры соединяются с ультразвуковым генератором для контроля и управления процессом ультразвукового диспергирования. Все важные параметры обработки, такие как ультразвуковая энергия (полезная + общая), температура, давление и время, автоматически протоколируются и сохраняются на встроенную SD-карту. Получив доступ к автоматически записанным данным процесса, вы можете просмотреть предыдущие циклы обработки ультразвуком и оценить результаты процесса.
Еще одна удобная для пользователя функция – дистанционное управление нашими цифровыми ультразвуковыми системами через браузер. С помощью дистанционного управления через браузер вы можете из любого места удаленно запускать, останавливать, настраивать и контролировать свой ультразвуковой процессор.
Свяжитесь с нами сейчас, чтобы узнать больше о наших высокопроизводительных ультразвуковых диспергаторах и их применении в производстве высокоэффективных клеев и покрытий!
В таблице ниже приведены ориентировочные данные о производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов:

---

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.