Ultrazvuk pri formulácii náterových hmôt

Do formulácií náterových hmôt a farieb vstupujú rôzne zložky, napríklad pigmenty, plnivá, chemické prísady, sieťovacie činidlá a modifikátory reológie. Ultrazvuk je účinným prostriedkom na dispergovanie, emulgovanie, deaglomeráciu a mletie takýchto zložiek v náterových hmotách.

Ultrazvuk sa pri formulácii náterových hmôt používa na:

• emulgovanie polymérov vo vodných systémoch
• dispergovanie a jemné mletie pigmentov
• zmenšovanie veľkosti nanomateriálov vo vysokovýkonných náterových hmotách

Náterové hmoty sa delia do dvoch širokých kategórií: živice a náterové hmoty na vodnej báze a na báze rozpúšťadiel. Každý typ prináša vlastné výzvy. Požiadavky na znižovanie obsahu prchavých organických zlúčenín (VOC) a vysoké ceny rozpúšťadiel podporujú rozvoj technológií živicových náterových hmôt na vodnej báze. Použitie ultrazvuku môže zlepšiť vlastnosti takýchto ekologických systémov.

Zlepšená formulácia náterových hmôt vďaka pôsobeniu ultrazvuku

Ultrazvuk môže pomôcť tvorcom formulácií stavebných, priemyselných a automobilových náterových hmôt a náterových hmôt na drevo zlepšiť vlastnosti náterov, ako sú farbiaca sila, odolnosť proti poškriabaniu, praskaniu a UV žiareniu alebo elektrická vodivosť. Niektoré z týchto vlastností náterov sa dosahujú pridaním materiálov s nanometrovými rozmermi, napr. oxidov kovov (TiO₂, oxid kremičitý, oxid ceričitý, ZnO, …).

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

Keďže technológiu ultrazvukového dispergovania možno používať v laboratórnom meradle, v stolových zariadeniach aj v priemyselnej výrobe, pričom umožňuje spracovateľskú kapacitu viac ako 10 ton/hodinu, uplatňuje sa vo fáze výskumu a vývoja aj v komerčnej výrobe. Výsledky procesu možno jednoducho a lineárne preniesť do väčšieho meradla.

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

Prostredníctvom nasledujúcich odkazov si môžete prečítať viac o použití vysokovýkonného ultrazvuku na

• emulgovanie polymérov vo vodných systémoch,
• dispergovanie a jemné mletie pigmentov,
• a zmenšovanie veľkosti nanomateriálov.

Emulzná polymerizácia pomocou sonikácie

Tradičné formulácie náterových hmôt využívajú základné princípy polymérnej chémie. Prechod na technológiu náterových hmôt na vodnej báze ovplyvňuje výber surovín, vlastnosti a postupy formulácie.

Pri konvenčnej emulznej polymerizácii, napr. pre náterové hmoty na vodnej báze, sa častice vytvárajú od stredu smerom k povrchu. Kinetické faktory ovplyvňujú homogenitu a morfológiu častíc.

Ultrazvukové spracovanie možno použiť na vytváranie polymérnych emulzií dvoma spôsobmi.

• Zhora nadol: Emulgovanie/dispergovanie väčších polymérnych častíc na vytvorenie menších častíc zmenšením ich veľkosti
• Zdola nahor: Použitie ultrazvuku pred polymerizáciou častíc alebo počas nej

 

V tomto videu vám predstavíme ultrazvukový systém s výkonom 2 kilowatty na prietokovú prevádzku v preplachovateľnej skrini. Hielscher dodáva ultrazvukové zariadenia takmer do všetkých priemyselných odvetví, napríklad do chemického, farmaceutického a kozmetického priemyslu, ako aj pre petrochemické procesy a extrakčné procesy s použitím rozpúšťadiel. Táto preplachovateľná skriňa z nehrdzavejúcej ocele je určená na prevádzku v priestoroch s nebezpečenstvom výbuchu. Na tento účel môže zákazník utesnenú skriňu preplachovať dusíkom alebo čerstvým vzduchom, aby zabránil vniknutiu horľavých plynov alebo pár do skrine.

 

Nanočasticové polyméry v miniemulziách

Polymerizácia častíc v miniemulziách umožňuje výrobu dispergovaných polymérnych častíc s dobrou kontrolou nad ich veľkosťou. Syntéza polymérnych nanočastíc v miniemulziách (známych aj ako nanoreaktory), ktorú predstavila K. Landfester (2001), je vynikajúcou metódou tvorby polymérnych nanočastíc. Tento prístup využíva veľký počet malých nanopriestorov (disperzná fáza) v emulzii ako nanoreaktory. V nich sa častice syntetizujú vysoko paralelne v jednotlivých priestorovo ohraničených kvapôčkach. Landfester (2001) vo svojom článku predstavuje polymerizáciu v nanoreaktoroch s vysokou mierou dokonalosti na tvorbu veľmi zhodných častíc takmer jednotnej veľkosti. Obrázok vyššie zobrazuje častice získané polyadíciou za podpory ultrazvuku v miniemulziách.

Malé kvapôčky vytvorené pôsobením vysokého šmyku (pôsobením ultrazvuku) a stabilizované stabilizačnými látkami (emulgátormi) možno vytvrdiť následnou polymerizáciou alebo znížením teploty v prípade materiálov s nízkou teplotou topenia. Keďže pôsobením ultrazvuku možno vytvárať veľmi malé kvapôčky takmer jednotnej veľkosti v dávkovom aj výrobnom procese, umožňuje to dobrú kontrolu nad konečnou veľkosťou častíc. Pri polymerizácii nanočastíc možno hydrofilné monoméry emulgovať do organickej fázy a hydrofóbne monoméry do vody.

Pri zmenšovaní veľkosti častíc sa zároveň zväčšuje ich celkový povrch. Obrázok vľavo zobrazuje vzťah medzi veľkosťou častíc a ich povrchom v prípade guľovitých častíc. Množstvo povrchovo aktívnej látky potrebnej na stabilizáciu emulzie sa preto zvyšuje takmer lineárne s celkovým povrchom častíc. Druh a množstvo povrchovo aktívnej látky ovplyvňujú veľkosť kvapôčok. Použitím aniónových alebo katiónových povrchovo aktívnych látok možno získať kvapôčky s veľkosťou 30 až 200nm.

Pigmenty v náteroch

Organické a anorganické pigmenty sú dôležitou zložkou náterových formulácií. Na maximalizáciu účinnosti pigmentov je potrebná dobrá kontrola nad veľkosťou častíc. Pri pridávaní pigmentového prášku do vodných, rozpúšťadlových alebo epoxidových systémov majú jednotlivé častice pigmentu tendenciu vytvárať veľké aglomeráty. Na rozrušenie takýchto aglomerátov a rozomletie jednotlivých častíc pigmentu sa bežne používajú mechanizmy s vysokým šmykom, ako sú rotorovo-statorové miešače alebo guľôčkové mlyny s miešadlom. Pôsobenie ultrazvuku je mimoriadne účinnou alternatívou pre tento krok pri výrobe náterových látok.

Grafy nižšie zobrazujú vplyv sonikácie na veľkosť častíc perleťového pigmentu. Ultrazvuk rozomieľa jednotlivé častice pigmentu prostredníctvom vysokorýchlostných zrážok medzi časticami. Výraznou výhodou pôsobenia ultrazvuku je silný účinok kavitačných šmykových síl, vďaka ktorému nie je potrebné používať mlecie médiá (napr. guľôčky, perly). Keďže častice sú urýchľované mimoriadne rýchlymi prúdmi kvapaliny s rýchlosťou až 1000km/hr, prudko sa zrážajú a rozpadajú sa na malé kúsky. Obrusovanie častíc dodáva ultrazvukom mletým časticiam hladký povrch. Celkovo ultrazvukové mletie a dispergovanie vedú k jemným časticiam s rovnomerným rozdelením veľkosti.

 

Ultrazvukové mletie a dispergovanie často prekonáva vysokorýchlostné miešačky a mlyny s mlecími telesami, pretože sonikácia zabezpečuje rovnomernejšie spracovanie všetkých častíc. Ultrazvukové spracovanie vo všeobecnosti vytvára menšie častice a úzku distribúciu veľkosti častíc (krivky mletia pigmentov). Tým sa zlepšuje celková kvalita pigmentových disperzií, pretože väčšie častice zvyčajne nepriaznivo ovplyvňujú spracovateľnosť, lesk, odolnosť a optický vzhľad.

Keďže mletie a drvenie častíc je založené na vzájomných zrážkach častíc v dôsledku ultrazvukovej kavitácie, ultrazvukové reaktory dokážu spracovať pomerne vysoké koncentrácie tuhých látok (napr. predzmesi) a pritom stále dosahovať dobré výsledky pri zmenšovaní veľkosti častíc. V nasledujúcej tabuľke sú zobrazené snímky mletia TiO2 za mokra.

Nasledujúci graf zobrazuje krivky distribúcie veľkosti častíc pri deaglomerácii oxidu titaničitého Degussa vo forme anatasu pomocou ultrazvuku. Úzky tvar krivky po sonikácii je typickým znakom ultrazvukového spracovania.

Materiály s nanometrovou veľkosťou v náterových hmotách s vysokými úžitkovými vlastnosťami

Nanotechnológia je rozvíjajúca sa technológia, ktorá preniká do mnohých priemyselných odvetví. Nanomateriály a nanokompozity sa používajú vo formuláciách náterových hmôt, napr. na zvýšenie odolnosti proti oderu a poškriabaniu alebo stability voči UV žiareniu. Najväčšou výzvou pri použití v náterových hmotách je zachovanie priehľadnosti, čírosti a lesku. Nanočastice preto musia byť veľmi malé, aby neovplyvňovali viditeľné spektrum svetla. Pri mnohých aplikáciách je táto veľkosť výrazne menšia ako 100nm.

Mletie zložiek s vysokými úžitkovými vlastnosťami za mokra na nanometrové veľkosti sa stáva kľúčovým krokom pri formulácii náterových hmôt navrhnutých s využitím nanotechnológií. Akékoľvek častice, ktoré ovplyvňujú viditeľné svetlo, spôsobujú zákal a stratu priehľadnosti. Preto sú potrebné veľmi úzke distribúcie veľkosti častíc. Ultrazvukové spracovanie je veľmi účinným prostriedkom na jemné mletie tuhých látok. Ultrazvuková / akustická kavitácia v kvapalinách spôsobuje vysokorýchlostné vzájomné zrážky častíc. Na rozdiel od bežných perlových mlynov a mlynov s okruhliakovou náplňou sa častice navzájom rozomieľajú, čím odpadá potreba mlecích telies.

Spoločnosti ako Panadur (Nemecko) používajú ultrazvukové prístroje Hielscher na dispergovanie a deaglomeráciu nanomateriálov v náterových hmotách nanášaných vo forme. Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovom dispergovaní náterových hmôt nanášaných vo forme!

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