Ультразвук для диспергирования и измельчения: краски и пигменты

Мощный ультразвук хорошо известен своим интенсивным и точно контролируемым воздействием при измельчении и диспергировании. Это делает ультразвуковые гомогенизаторы идеальными для производства пигментных паст и составов красок. Промышленные ультразвуковые аппараты обеспечивают высокую однородность распределения частиц по размерам в микро- и нанодиапазоне. Обрабатывайте потоки высоковязких материалов с большим объемным расходом с помощью ультразвуковых аппаратов Hielscher для достижения однородного смачивания, диспергирования, деагломерации и измельчения!

Производство красок с помощью ультразвука

Улучшайте свои краски, красители и покрытия с помощью обработки ультразвуком:

• Состав: Высокая вязкость, высокое содержание частиц, водная основа или основа на растворителях – с промышленными проточными ультразвуковыми аппаратами Hielscher вы можете обрабатывать любые составы.
• Микро- и наноразмеры: Высокие силы сдвига, создаваемые акустической кавитацией, уменьшают диаметр частиц до мельчайших размеров и обеспечивают равномерное диспергирование. Настройка параметров обработки ультразвуком в соответствии с требованиями к частицам и составу позволяет надежно производить наноразмерные пигменты.
• Оптические свойства: Для получения нужных оптических свойств необходимо контролировать размер частиц пигмента. Обычно непрозрачность связана с размером частиц: чем мельче частицы, тем выше непрозрачность. Например, TiO2 специально обрабатывают до размера частиц от 0,20 до 0,3 микрона, что приблизительно соответствует половине длины волны света. Обработка ультразвуком уменьшает частицы пигмента TiO2 до оптимального размера, обеспечивая максимальную укрывистость.
• Частицы с высокими эксплуатационными характеристиками: Меньший размер частиц обеспечивает более высокую насыщенность, однородность и стабильность цвета. Интенсивные, но точно контролируемые ультразвуковые силы позволяют получать модифицированные и функционализированные наночастицы, такие как частицы с покрытием, SWNTs, MWCNTs и частицы типа «ядро–оболочка». Такие частицы обладают уникальными характеристиками и выводят составы красок или покрытий на новый уровень качества и функциональности (например, устойчивость к УФ-излучению, устойчивость к царапинам, прочность, адгезионная способность, высокая термостойкость, способность отражать инфракрасное и солнечное излучение).
• Модифицированные частицы: Пигменты с модифицированной поверхностью обладают очень низкой вязкостью при высоком содержании пигмента (2,5cP при 10% твердых веществ), превосходной стабильностью суспензии и высокой чистотой. Функционализация частиц с помощью ультразвука упрощает синтез пигментов с высокими эксплуатационными характеристиками и особыми свойствами.

Пигментные пасты, измельченные и диспергированные с помощью ультразвуковой кавитации и высоких сил сдвига, демонстрируют значительное уменьшение размера частиц и их равномерное распределение. График выше показывает, что с увеличением ультразвуковой энергии степень уменьшения размера частиц возрастает.

Для производства краски такие компоненты, как пигменты, связующие/пленкообразователи, разбавители/растворители, смолы, наполнители и добавки, необходимо смешать до получения однородного состава. Пигменты – определяющий компонент, придающий краске цвет. Наиболее важным белым пигментом является TiO2, который необходимо измельчить до оптимального диаметра частиц от 0,2 до 0,3 микрона, чтобы получить желаемую степень белизны, яркости, непрозрачности и очень высокий показатель преломления. Ультразвуковые силы сдвига обеспечивают очень эффективную и энергоэффективную деагломерацию и диспергирование частиц TiO2 (см. изображение ниже).

Изображения, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), суспензии наночастиц TiO2, диспергированных ультразвуком, при различных концентрациях твердых веществ. Обработку ультразвуком проводили с помощью ультразвукового аппарата UIP1000hdT
Слева: введенная ультразвуковая энергия 1,8 × 10⁵ J/L – справа: введенная ультразвуковая энергия 5,4 × 10⁵ J/L
(Исследование и изображения: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ультразвуковое измельчение и диспергирование повышают качество краски, улучшая ее красящую способность, плотность, тонкость помола, дисперсность и реологические свойства.

Условия ультразвукового диспергирования и измельчения

Качество красок и покрытий зависит от однородного диспергирования пигментов. Hielscher Ultrasonics поставляет эффективное оборудование для измельчения и тонкого помола при диспергировании красок, особенно составов с высоким содержанием пигмента. Механизм работы ультразвуковых диспергаторов при измельчении, тонком помоле, деагломерации и диспергировании главным образом основан на сдвиге, создаваемом ультразвуковой кавитацией. Кавитационные силы сдвига, необходимые для разделения частиц, возникают вследствие больших перепадов давления, локальных зон высокой температуры и струй жидкости, что приводит к разрушению частиц при их столкновениях друг с другом.
Промышленные ультразвуковые диспергаторы, такие как UIP16000hdT мощностью 16 000 ватт на каждый ультразвуковой зонд, способны обрабатывать потоки красок и покрытий с большим объемным расходом.

Обработанная ультразвуком меловая краска на гриндометре демонстрирует совершенно равномерную деагломерацию и распределение частиц пигментов по размерам

Диспергирование наночастиц

Ультразвуковое измельчение и диспергирование часто является единственным методом эффективной обработки наночастиц для получения отдельно диспергированных первичных частиц. Малый размер первичных частиц обеспечивает большую площадь поверхности и связан с проявлением уникальных характеристик и функциональных свойств частиц. В то же время меньший размер частиц связан с высокой поверхностной энергией, обусловливающей более выраженную агрегацию и реакционную способность, поэтому для однородного диспергирования наночастиц в составе необходимы интенсивные ультразвуковые диспергирующие силы.
Кроме того, ультразвуковая обработка поверхности может модифицировать наночастицы, что приводит к улучшению диспергируемости, стабильности дисперсии, гидрофобности и других свойств.
Исследователи рекомендовали метод ультразвукового диспергирования наночастиц в качестве предпочтительного решения, «поскольку материал, диспергированный ультразвуковым методом, значительно чище материала, полученного путем измельчения в бисерной мельнице». [Kim et al. 2010].

Технология ультразвукового диспергирования имеет множество преимуществ по сравнению с традиционными технологиями измельчения, такими как использование трехвалковых, шаровых мельниц или мельниц с мелющими телами.

Узнайте больше об ультразвуковой гомогенизации и диспергировании пигментов и красителей для концентратов и составов красок!

Литература / Источники

• 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.