Ultrazvuk vo formulácii náteru

Rôzne zložky, ako sú pigmenty, plnivá, chemické prísady, zosieťovače a modifikátory reológie, sa dostávajú do náterových a náterových formulácií. Ultrazvuk je účinným prostriedkom na disperziu a emulgáciu, deaglomeráciu a mletie takýchto zložiek v náteroch.

Ultrazvuk sa používa pri formulácii náterov na:

• emulgácia polymérov vo vodných systémoch
• dispergovanie a jemné mletie pigmentov
• zmenšenie veľkosti nanomateriálov vo vysokovýkonných náteroch

Nátery spadajú do dvoch širokých kategórií: vodou riediteľné živice a nátery na báze rozpúšťadiel. Každý typ má svoje vlastné výzvy. Pokyny požadujúce zníženie VOC a vysoké ceny rozpúšťadiel stimulujú rast technológií poťahovania vodou riediteľnou živicou. Použitie ultrazvuku môže zvýšiť výkon takýchto ekologických systémov.

Vylepšené zloženie povlaku vďaka ultrazvuku

Ultrazvuk môže pomôcť formulátorom architektonických, priemyselných, automobilových a drevených náterov zlepšiť vlastnosti náteru, ako je farebná pevnosť, odolnosť proti poškriabaniu, prasklinám a UV žiareniu alebo elektrická vodivosť. Niektoré z týchto vlastností povlaku sa dosahujú zahrnutím materiálov nanoveľkosti, napr. oxidov kovov (TiO₂, oxid kremičitý, cér, ZnO, …).

Ultrazvuk ďalej pomáha pri odpenianí (zachytené bubliny) a odplyňovaní (rozpustený plyn) vysoko viskóznych produktov. Prečítajte si viac o ultrazvukovom odvzdušňovaní a odplyňovaní kvapalín!

Keďže ultrazvukovú dispergujúcu technológiu je možné použiť na úrovni laboratórnej, stolovej a priemyselnej výroby, čo umožňuje rýchlosť výkonu nad 10 ton/hod, aplikuje sa v R&D a v komerčnej produkcii. Výsledky procesov je možné ľahko a lineárne škálovať.

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú veľmi energeticky účinné. Zariadenia premieňajú cca. 80 až 90 % elektrického príkonu na mechanickú aktivitu v kvapaline. To vedie k podstatne nižším nákladom na spracovanie.

Na nižšie uvedených odkazoch si môžete prečítať viac o použití vysokovýkonného ultrazvuku na

• emulgácia polymérov vo vodných systémoch,
• dispergovanie a jemné mletie pigmentov,
• a zmenšenie veľkosti nanomateriálov.

Emulzná polymerizácia pomocou sonikácie

Tradičné náterové formulácie používajú základnú polymérnu chémiu. Prechod na technológiu lakovania na vodnej báze má vplyv na výber surovín, vlastnosti a metodiky formulácie.

Pri konvenčnej emulznej polymerizácii, napr. pri vodou riediteľných náteroch, sa častice vytvárajú od stredu k ich povrchu. Kinetické faktory ovplyvňujú homogenitu a morfológiu častíc.

Ultrazvukové spracovanie je možné použiť dvoma spôsobmi generovať polymérne emulzie.

• zhora nadol: Emulgačné/Rozptyľuje väčších polymérnych častíc na generovanie menších častíc zmenšením veľkosti
• zdola nahor: Použitie ultrazvuku pred alebo počas polymerizácie častíc

 

 

Nanočasticové polyméry v miniemulziách

Polymerizácia častíc v miniemulziách umožňuje výrobu dispergovaných polymérnych častíc s dobrou kontrolou veľkosti častíc. Syntéza nanočasticových polymérnych častíc v miniemulziách (tiež známych ako nanoreaktory), ako ju predstavil K. Landfester (2001), je vynikajúcou metódou na tvorbu polymérnych nanočastíc. Tento prístup využíva vysoký počet malých nanokompartmentov (disperzná fáza) v emulzii ako nanoreaktory. V nich sú častice syntetizované vysoko paralelným spôsobom v jednotlivých uzavretých kvapôčkach. Landfester (2001) vo svojom článku predstavuje polymerizáciu v nanoreaktoroch vo vysokej dokonalosti pre generovanie vysoko identických častíc takmer jednotnej veľkosti. Obrázok vyššie zobrazuje častice získané ultrazvukom asistovanou polyadíciou v miniemulziách.

Malé kvapôčky generované aplikáciou vysokého šmyku (ultrazvuk) a stabilizované stabilizačnými činidlami (emulgátormi) môžu byť vytvrdené následnou polymerizáciou alebo znížením teploty v prípade nízkoteplotných topiacich sa materiálov. Keďže ultrazvuk môže produkovať veľmi malé kvapôčky takmer jednotnej veľkosti v dávkovom a výrobnom procese, umožňuje dobrú kontrolu nad konečnou veľkosťou častíc. Na polymerizáciu nanočastíc môžu byť hydrofilné monoméry emulgované na organickú fázu a hydrofóbne monoméry vo vode.

Pri zmenšovaní veľkosti častíc sa súčasne zväčšuje celková plocha povrchu častíc. Obrázok vľavo ukazuje koreláciu medzi veľkosťou častíc a plochou povrchu v prípade sférických častíc. Preto sa množstvo povrchovo aktívnej látky potrebné na stabilizáciu emulzie zvyšuje takmer lineárne s celkovou plochou povrchu častíc. Typ a množstvo povrchovo aktívnej látky ovplyvňuje veľkosť kvapôčok. Kvapôčky 30 až 200 nm je možné získať pomocou aniónových alebo katiónových povrchovo aktívnych látok.

Pigmenty v náteroch

Organické a anorganické pigmenty sú dôležitou zložkou náterových formulácií. Na maximalizáciu výkonu pigmentu je potrebná dobrá kontrola nad veľkosťou častíc. Pri pridávaní pigmentového prášku do vodných, rozpúšťadlových alebo epoxidových systémov majú jednotlivé pigmentové častice tendenciu vytvárať veľké aglomeráty. Na rozbitie takýchto aglomerátov a na mletie jednotlivých častíc pigmentu sa bežne používajú mechanizmy s vysokým strihom, ako sú miešačky rotora a statora alebo miešacie guľôčky. Ultrazvuk je mimoriadne účinnou alternatívou pre tento krok pri výrobe náterov.

Nižšie uvedené grafy ukazujú vplyv sonikácie na veľkosť pigmentu perleťového lesku. Ultrazvuk melie jednotlivé častice pigmentu vysokorýchlostnou kolíziou medzi časticami. Výraznou výhodou ultrazvuku je vysoký dopad kavitačných šmykových síl, vďaka čomu nie je potrebné používať brúsne médiá (napr. guľôčky, perly). Keď sú častice urýchľované extrémne rýchlymi prúdmi kvapaliny s rýchlosťou až 1000 km/h, prudko sa zrazia a rozbijú sa na malé kúsky. Oder častíc dáva ultrazvukom mletým časticiam hladký povrch. Celkovo ultrazvukové frézovanie a disperzia vedie k jemnej veľkosti a rovnomernému rozloženiu častíc.

 

Ultrazvukové frézovanie a dispergovanie často vyniká vysokorýchlostnými mixérmi a mlynmi na médiá, pretože sonikácia poskytuje konzistentnejšie spracovanie všetkých častíc. Vo všeobecnosti ultrazvuk vytvára menšie veľkosti častíc a úzku distribúciu veľkosti častíc (krivky mletia pigmentu). To zlepšuje celkovú kvalitu pigmentových disperzií, pretože väčšie častice zvyčajne narúšajú schopnosť spracovania, lesk, odolnosť a optický vzhľad.

Keďže mletie a mletie častíc je založené na zrážke medzi časticami v dôsledku ultrazvukovej kavitácie, ultrazvukové reaktory dokážu zvládnuť pomerne vysoké koncentrácie pevných látok (napr. predvsady) a stále produkovať dobré efekty zmenšenia veľkosti. Nižšie uvedená tabuľka zobrazuje obrázky mokrého mletia TiO2.

Nižšie uvedený graf zobrazuje krivky distribúcie veľkosti častíc pre deaglomeráciu oxidu titaničitého Degussa anatase ultrazvukom. Úzky tvar krivky po sonikácii je typickým znakom ultrazvukového spracovania.

Nanorozmerné materiály vo vysokovýkonných náteroch

Nanotechnológia je nová technológia, ktorá sa dostáva do mnohých priemyselných odvetví. Nanomateriály a nanokompozity sa používajú v náterových prípravkoch, napr. na zvýšenie odolnosti proti oderu a poškriabaniu alebo UV stability. Najväčšou výzvou pri aplikácii v náteroch je zachovanie priehľadnosti, čírosti a lesku. Preto musia byť nanočastice veľmi malé, aby sa zabránilo interferencii s viditeľným spektrom svetla. Pre mnohé aplikácie je to podstatne menej ako 100 nm.

Mokré brúsenie vysokovýkonných komponentov v rozsahu nanometrov sa stáva rozhodujúcim krokom pri formulovaní nanoinžinierskych povlakov. Akékoľvek častice, ktoré rušia viditeľné svetlo, spôsobujú zákal a stratu priehľadnosti. Preto sú potrebné veľmi úzke distribúcie veľkostí. Ultrazvuk je veľmi účinným prostriedkom na jemné mletie pevných látok. Ultrazvuková / akustická kavitácia v kvapalinách spôsobuje vysokorýchlostné zrážky medzi časticami. Na rozdiel od bežných guľôčkových mlynov a kamienkových mlynov sa samotné častice navzájom rozdrobujú, vďaka čomu nie sú potrebné frézovacie médiá.

Spoločnosti, ako napr. Panadur (Nemecko) používať ultrazvukové prístroje Hielscher na dispergovanie a deaglomeráciu nanomateriálov v náteroch vo forme. Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovej disperzii povlakov vo forme!

Na sonikáciu horľavých kvapalín alebo rozpúšťadiel v nebezpečnom prostredí sú k dispozícii procesory s certifikáciou ATEX. Zistite viac o ultrazvukovom prístroji UIP1000-Exd s certifikáciou Atex!