Ako miešať laky s nanoplnivami

Výroba lakov si vyžaduje výkonné miešacie zariadenia, ktoré dokážu spracovať nanočastice a pigmenty, ktoré musia byť rovnomerne dispergované v zmesi. Ultrazvukové homogenizátory predstavujú vysoko účinnú a spoľahlivú dispergačnú techniku, ktorá zabezpečuje homogénne rozloženie nanočastíc v polyméroch.

Výroba lakov pomocou vysokovýkonných ultrazvukových miešačov

Lak sa opisuje ako číry, priehľadný, tvrdý ochranný povlak alebo film, ktorý sa pripravuje zo živíc (napr. akrylových, polyuretánových, alkydových, šelaku), vysychavého oleja, kovového sušidla a prchavých rozpúšťadiel (napr. ťažkého benzínu, lakového benzínu alebo riedidla). Pri schnutí laku sa obsiahnuté rozpúšťadlo odparuje a zvyšné zložky oxidujú alebo polymerizujú za vzniku odolného priehľadného filmu. Laky sa väčšinou používajú ako ochranné povlaky na drevené povrchy, obrazy a rôzne dekoratívne predmety, zatiaľ čo laky vytvrdzované UV žiarením sa používajú v automobilových náteroch, kozmetike, potravinárstve, vede a ďalších odvetviach.

Ultrazvuková dispergácia nanooxidu kremičitého v laku

Bežným príkladom ultrazvukovej dispergácie je zapracovanie koloidného oxidu kremičitého, ktorý sa zvyčajne pridáva na dodanie tixotropných vlastností lakom.
Napríklad polyéterimidový lak plnený nanooxidom kremičitým vykazuje až tridsaťkrát dlhšiu životnosť než štandardný lak. Nanooxid kremičitý zlepšuje vlastnosti laku, ako sú jeho elektrická vodivosť, elektrická pevnosť pri jednosmernom a striedavom napätí a pevnosť priľnutia. Ultrazvukové dispergátory sa preto vo veľkej miere používajú na výrobu elektricky vodivých povlakov.
Ďalšie silikátové minerály, wollastonit, mastenec, sľuda, kaolín, živec a nefelínový syenit, sú lacné plnivá a vo veľkej miere sa používajú ako takzvané nastavovacie pigmenty, ktoré sa pridávajú na úpravu reológie (viskozity), sedimentačnej stability a pevnosti filmu v náteroch.

Výskumom preukázaná prevaha ultrazvukových prístrojov pri dispergácii nanoplnív

Monteiro a kol. (2014) porovnali bežné dispergačné technológie – konkrétne rotorovo-statorový miešač, Cowlesovo obežné koleso a ultrazvukový dispergátor so sondou – z hľadiska ich účinnosti pri dispergácii oxidu titaničitého (TiO2, anatas). Ultrazvukové spracovanie sa ukázalo ako najúčinnejšie pri dispergácii nanočastíc vo vode s použitím bežného polyelektrolytu Na-PAA a výrazne prekonalo miešanie rotorovo-statorovým miešačom alebo Cowlesovým obežným kolesom.
Podrobnosti štúdie: Porovnávali sa rôzne dispergačné techniky s cieľom určiť tú najúčinnejšiu na vytvorenie dobre deaglomerovanej vodnej suspenzie nano-TiO2. Ako referenčné dispergačné činidlo sa použila sodná soľ kyseliny polyakrylovej (Na-PAA), ktorá sa bežne používa v priemysle na vodné disperzie TiO2. Obr. 1 znázorňuje získané objemové distribúcie veľkosti častíc (PSD) pri použití Cowlesovho dispergátora (30 min pri 2000 rpm), rotorovo-statorového miešača (30 min pri 14 000 rpm) a ultrazvukového spracovania sondou (Hielscher UIP1000hdT, 2 min pri 50% amplitúde). „Pri použití Cowlesovho dispergátora boli veľkosti častíc v troch rôznych rozsahoch: 40–100 nm, 350–1000 nm a 1200–4000 nm. V distribúcii jednoznačne prevládajú väčšie aglomeráty, čo ukazuje, že táto technika je neúčinná. Rotorovo-statorový miešač tiež poskytol neuspokojivé výsledky bez ohľadu na to, či sa nanočastice pridávali naraz alebo postupne počas miešania. Hlavný rozdiel pozorovaný vo výsledku Cowlesovho dispergátora súvisí s posunom stredného píku smerom k väčšej veľkosti častíc, pričom čiastočne splýva s píkom najviac vpravo. Na druhej strane použitie ultrazvuku prinieslo oveľa lepší výsledok s úzkym píkom so stredom pri 0,1 nm a dvoma oveľa menšími píkmi v rozsahoch 150–280 nm a 380–800 nm.“

Rozdelenia veľkosti častíc vo vodných disperziách nano-TiO2 (10mgmL−1, pH = 9) pripravených rôznymi dispergačnými technikami. Sonikácia poskytuje najmenšie nanočastice TiO2 a najužšie krivky zmenšovania veľkosti častíc. Pri použití dispergačného činidla (Na-PAA) bol jeho pomer k nano-TiO2 1:1.
(štúdia a graf: © Monteiro et al., 2014)

TiO2 sušený rozprašovaním pred ultrazvukovým mletím a po ňom

Tento výsledok je v súlade s prácou Sato et al. (2008), ktorá uvádza lepšie výsledky pri použití sonikácie než pri iných technikách dispergovania častíc TiO2 s nanometrovými rozmermi vo vode. Rázové vlny vytvorené akustickou / ultrazvukovou kavitáciou vedú k veľmi intenzívnym zrážkam medzi časticami a k účinnému mletiu a deaglomerácii častíc na rovnomerné fragmenty s nanometrovými rozmermi.
(porov. Monteiro et al., 2014)

Vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na výrobu lakov

Pri použití nanočastíc a nanoplnív v priemyselných výrobných procesoch, ako je výroba lakov a povlakov, sa musí suchý prášok homogénne vmiešať do kvapalnej fázy. Dispergovanie nanočastíc si vyžaduje spoľahlivú a účinnú techniku miešania, ktorá dodá dostatok energie na rozrušenie aglomerátov, aby sa naplno uplatnili vlastnosti častíc s nanometrovými rozmermi. Ultrazvukové prístroje sú dobre známe ako výkonné a spoľahlivé dispergátory, preto sa používajú na deaglomeráciu a homogénne rozptýlenie rôznych materiálov, ako sú oxid kremičitý, nanorúrky, grafén, minerály a mnohé ďalšie materiály, v kvapalnej fáze, napríklad v živiciach, epoxidových živiciach a pigmentových koncentrátoch. Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové dispergátory pre všetky druhy homogenizačných a deaglomeračných aplikácií.
Pri výrobe nanodisperzií sú presné riadenie sonikácie a spoľahlivé ultrazvukové spracovanie suspenzie nanočastíc nevyhnutné na získanie produktov s vysokou úžitkovou hodnotou. Procesory Hielscher Ultrasonics vám poskytujú úplnú kontrolu nad všetkými dôležitými parametrami spracovania, ako sú prívod energie, intenzita ultrazvuku, amplitúda, tlak, teplota a doba zdržania. Parametre tak môžete nastaviť na optimalizované podmienky, čo následne vedie k vysokokvalitným nanodisperziám, napríklad suspenziám nanočastíc oxidu kremičitého alebo nano-TiO2.

Pre akýkoľvek objem / kapacitu: Hielscher ponúka ultrazvukové prístroje a široké portfólio príslušenstva. To umožňuje nakonfigurovať ideálny ultrazvukový systém pre vašu aplikáciu a výrobnú kapacitu. Od malých liekoviek obsahujúcich niekoľko mililitrov až po veľkoobjemové toky tisícov galónov za hodinu ponúka Hielscher vhodné ultrazvukové riešenie pre váš proces.
Vysoké viskozity: Prietokové ultrazvukové systémy ľahko spracúvajú pastovité zmesi, napríklad pigmentové koncentráty, v ktorých sa pigment pri vysokom obsahu častíc rovnomerne vmiešava do zmesi zmäkčovadla, monoméru a polyméru.
Robustnosť: Naše ultrazvukové systémy sú robustné a spoľahlivé. Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher sú skonštruované na prevádzku 24/7/365 a vyžadujú si len minimálnu údržbu.
Jednoduchosť používania: Prepracovaný softvér našich ultrazvukových zariadení umožňuje vopred zvoliť a uložiť nastavenia sonikácie na jednoduchú a spoľahlivú sonikáciu. Intuitívne menu je ľahko prístupné prostredníctvom digitálneho farebného dotykového displeja. Diaľkové ovládanie cez prehliadač vám umožňuje ovládať a monitorovať zariadenie prostredníctvom ľubovoľného internetového prehliadača. Automatické zaznamenávanie údajov ukladá parametre procesu každého sonikačného cyklu na zabudovanú kartu SD.
Vynikajúca energetická účinnosť: V porovnaní s alternatívnymi dispergačnými technológiami vynikajú ultrazvukové prístroje Hielscher mimoriadnou energetickou účinnosťou a lepšími výsledkami v rozdelení veľkosti častíc.
Vysoká kvalita a robustnosť: Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou kvalitou, spoľahlivosťou a robustnosťou. Hielscher Ultrasonics je spoločnosť certifikovaná podľa ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a jednoduchým používaním. Ultrazvukové prístroje Hielscher samozrejme spĺňajú požiadavky na označenie CE aj požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových prístrojov: