Vysokoúčinné lepiace formulácie – zdokonalené ultrazvukovou dispergáciou

Vysokoúčinné lepidlá pozostávajú z epoxidových, silikónových, polyuretánových, polysulfidových alebo akrylátových systémov obsahujúcich rôzne (nano-)plnivá a prísady, ktoré lepidlu dodávajú osobitné vlastnosti, ako sú pevnosť spoja, nízka hmotnosť, trvanlivosť, tepelná odolnosť a udržateľnosť. Príprava vysokoúčinných lepidiel vyžaduje účinné a spoľahlivé miešanie. Ultrazvuková dispergácia a emulgácia sa používajú na rovnomerné spájanie rôznych zložiek do homogénnych lepiacich zmesí. Prietoková sonikácia spoľahlivo a účinne premiešava aj materiály s vysokou viskozitou a zmesi s vysokým obsahom nanoplnív, čím vznikajú lepidlá vynikajúcej kvality.

Ultrazvukové sily s vysokým šmykovým účinkom na dispergáciu vysokoúčinných lepidiel

Vysokoúčinné lepidlá ponúkajú mimoriadnu pevnosť spoja, trvanlivosť a nízku hmotnosť. V závislosti od konečného použitia sa polyméry, kopolyméry a rôzne prísady kombinujú podľa prepracovaných receptúr.

Epoxidové, silikónové, polyuretánové a akrylátové systémy pre lepidlá a gleje vyrábajú špecialisti na formulácie, ktorí upravujú lepiaci základ pridávaním látok zvyšujúcich lepivosť, minerálnych plnív (mastenec, oxid kremičitý, oxid hlinitý atď.), látok zvyšujúcich ohybnosť, látok znižujúcich viskozitu, farbív, zahusťovadiel, urýchľovačov, promótorov adhézie atď. Tieto úpravy slúžia na rôzne účely, napríklad na zlepšenie úžitkových vlastností a/alebo uľahčenie spracovania či zníženie nákladov. Ultrazvukové dispergátory s vysokým šmykovým účinkom sú ideálne na prípravu rôznych epoxidových systémov v prietokovom režime a umožňujú flexibilnú výrobu lepidiel prispôsobených požiadavkám konkrétnych aplikácií.

Ultrazvukové miešače s vysokým šmykovým účinkom na náročné dispergačné a emulgačné aplikácie

Vysokovýkonné ultrazvukové procesory pracujú ako miešače s vysokým šmykovým účinkom. Mimoriadne veľké šmykové sily vznikajú ultrazvukovou / akustickou kavitáciou a sú ideálne na emulgáciu, dispergáciu, mletie, deaglomeráciu a homogenizáciu v dávkovom aj prietokovom režime. Ultrazvukové prietokové dispergátory umožňujú jednoducho spracovávať materiály s nízkymi až vysokými koncentráciami tuhých látok a viskozitami.

Ultrazvukové miešanie nanomateriálov v lepidlách s vysokým šmykovým účinkom

Nanomateriály, ako sú uhlíkové nanorúrky (CNTs), kovové nanočastice, nanočastice oxidu kremičitého, nanoíly, nanovlákna a mnohé ďalšie častice s nanometrovými rozmermi, sa používajú na výrobu polymérov vystužených nanomateriálmi (nanokompozitov). Nanočastice sú dobre známe svojou schopnosťou meniť mechanické vlastnosti (napr. tuhosť, pružnosť), elektrické vlastnosti (napr. vodivosť), funkčné vlastnosti (napr. priepustnosť, teplotu skleného prechodu, modul) a lomové vlastnosti reaktoplastických polymérnych lepidiel. Nanomateriály nielenže poskytujú osobitné vysoké úžitkové vlastnosti, ako sú pevnosť spoja, trvanlivosť, vodivosť, pružnosť či tepelná odolnosť; pridanie nanoštruktúrovaných častíc môže zlepšiť aj bariérové vlastnosti polymérov.
Veľké šmykové sily ultrazvukom vytváranej akustickej kavitácie sú dobre známe svojou schopnosťou deaglomerovať a dispergovať nanočastice a dokonca rozrušovať primárne častice (t. j. ultrazvukové mletie). Pôsobením týchto ultrazvukových síl na polymérne systémy obsahujúce nanočastice a iné plnivá sa získava veľmi rovnomerná formulácia. Ultrazvuková dispergácia je energeticky účinná metóda, ktorá vykazuje nižšiu spotrebu energie v porovnaní s konvenčnými metódami šmykového miešania, ako sú lopatkové miešače s vysokým šmykovým účinkom, miešače s obežným kolesom alebo mlyny.

Video ukazuje ultrazvukové miešanie a dispergovanie grafitu v 250mL epoxidovej živice (Toolcraft L) pomocou ultrazvukového homogenizátora (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics vyrába zariadenia na dispergovanie grafitu, grafénu, uhlíkových nanorúrok, nanodrôtov alebo plnív v laboratóriu aj vo veľkoobjemových výrobných procesoch. Typickým využitím je dispergovanie nanomateriálov a mikromateriálov počas funkcionalizácie alebo ich dispergovanie do živíc či polymérov.

Kaboori et al. (2013) preukázali, že pôsobenie ultrazvuku je účinnou metódou na dispergovanie vrstevnatých štruktúr montmorillonitu (MMT) a vývoj PVA lepidiel vystužených MMT. Ukázalo sa, že pôsobenie ultrazvuku je spoľahlivé a účinné pri dispergovaní nanoílu v PVA pri nízkom (1% a 2%) aj vysokom (4%) obsahu nanoílu.
Výskumný tím zistil, že „ultrazvuková technika je veľmi účinná pri dispergovaní nanoílu, najmä pri jeho vysokom obsahu, na rozdiel od vysokootáčkového šmykového miešadla. Vysokootáčkové miešanie dokázalo dispergovať nanoíl v PVA iba pri jeho nízkom obsahu a zvyšovalo pevnosť spoja PVA za rôznych podmienok. Vysokootáčkové miešanie má určité nevýhody: možné poškodenie emulzie PVA (v dôsledku veľkej šmykovej sily používanej počas miešania), vysoké náklady a vysokú spotrebu energie. Naproti tomu má ultrazvuková technika minimálny negatívny vplyv na emulziu PVA. Ultrazvuková technika je navyše hospodárna, pretože ultrazvukové miešanie by mohlo prebiehať pred výrobou PVA a roztok obsahujúci nanoíl možno pridávať do PVA počas výrobného procesu. Vzhľadom na výsledky získané v tejto práci a v našej predchádzajúcej práci a na výhody ultrazvukovej techniky oproti vysokootáčkovému miešaniu sa pridávanie nanoílu do PVA v priemyselnom meradle javí ako uskutočniteľné a možno ho odporučiť výrobcom lepidiel na drevo.“ (Kaboori et al., 2013)

Účinky ultrazvukového odplyňovania pri výrobe lepidiel

Ďalšou výhodou sonikácie, ktorá výrazne zlepšuje výsledky prípravy formulácií, je odplyňovací účinok ultrazvukového spracovania. Vysokootáčkové mechanické miešanie (napr. lopatkovými miešadlami s vysokým šmykom) vytvára v zmesi veľké množstvo plynových bublín, čo možno v niektorých prípadoch dokonca spozorovať vďaka zosvetleniu farby zmesi. Ultrazvukové miešanie s vysokým šmykom má obrovskú výhodu v tom, že sonikácia nevnáša do formulácie lepidla plyny; ultrazvukové vlny naopak nútia už prítomné plynové bubliny spájať sa a stúpať na povrch kvapaliny, odkiaľ možno plyn ľahko odstrániť. Pôsobenie ultrazvuku tým podporuje odplyňovanie a odvzdušňovanie kvapalín a formulácií lepidiel. (porov. Shadlou et al., 2014)

Vysokovýkonné ultrazvukové dispergátory na priemyselnú prípravu formulácií lepidiel

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové dispergátory pre náročné aplikácie, ako je výroba vysokovýkonných lepidiel, živíc s vysokým obsahom plnív a nanokompozitov. Ultrazvukové zariadenia Hielscher sa používajú na celom svete na dispergovanie nanomateriálov do polymérov, živíc, povlakov a ďalších vysokovýkonných materiálov.
Do ultrazvukových dispergátorov Hielscher možno privádzať rôzne materiály viacerými prívodnými prúdmi za riadených prietokových podmienok do kavitačnej zmiešavacej zóny. Ultrazvukové dispergátory spoľahlivo a účinne spracúvajú materiály s nízkou až vysokou viskozitou. Intenzitu ultrazvuku možno presne nastaviť podľa surovín a požadovaného zmenšenia veľkosti častíc.
Na spracovanie viskóznych polymérnych pást, nanomateriálov a vysokých koncentrácií tuhých látok musí byť ultrazvukový dispergátor schopný nepretržite vytvárať vysoké amplitúdy. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu pri nepretržitej prevádzke s plným zaťažením dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno bez problémov používať v prevádzke 24/7. Možnosť prevádzkovať ultrazvukový dispergátor pri vysokých amplitúdach a presne nastavovať amplitúdu je nevyhnutná na prispôsobenie podmienok ultrazvukového procesu príprave vysokovýkonných lepidiel, polymérnych zmesí vystužených nanočasticami a nanokompozitov.
Okrem amplitúdy ultrazvuku je ďalším veľmi dôležitým procesným parametrom tlak. Pri zvýšenom tlaku sa zvyšuje intenzita ultrazvukovej kavitácie a jej šmykových síl. Ultrazvukové reaktory Hielscher možno natlakovať, čím sa dosiahne intenzívnejší účinok sonikácie.
Monitorovanie procesu a zaznamenávanie údajov sú dôležité pre priebežnú štandardizáciu procesu a kvalitu výrobku. Pripojiteľné snímače tlaku a teploty sa pripájajú k ultrazvukovému generátoru na monitorovanie a riadenie procesu ultrazvukovej dispergácie. Všetky dôležité parametre spracovania, ako sú ultrazvuková energia (čistá + celková), teplota, tlak a čas, sa automaticky zaznamenávajú a ukladajú na zabudovanú SD kartu. Prístupom k automaticky zaznamenaným procesným údajom môžete spätne preskúmať predchádzajúce cykly sonikácie a vyhodnotiť výsledky procesu.
Ďalšou používateľsky prívetivou funkciou je diaľkové ovládanie našich digitálnych ultrazvukových systémov prostredníctvom prehliadača. Pomocou diaľkového ovládania cez prehliadač môžete svoj ultrazvukový procesor odkiaľkoľvek na diaľku spúšťať, zastavovať, nastavovať a monitorovať.
Kontaktujte nás ešte dnes a získajte ďalšie informácie o našich vysokovýkonných ultrazvukových dispergátoroch a ich použití pri výrobe vysokovýkonných lepidiel a povlakov!
Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových zariadení:

---

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.