Ultrazvuk na dispergovanie a mletie: farby a pigmenty

Výkonový ultrazvuk je dobre známy svojimi intenzívnymi a presne regulovateľnými účinkami pri mletí a dispergovaní. Vďaka tomu sú ultrazvukové homogenizátory ideálne na výrobu pigmentových pást a formulácií farieb. Priemyselné ultrazvukové zariadenia zabezpečujú vysoko rovnomernú distribúciu veľkosti častíc v mikrometrovej a nanometrovej oblasti. Spracúvajte veľké objemové prúdy materiálov s vysokou viskozitou pomocou sonikátorov Hielscher a dosiahnite homogénne zmáčanie, dispergovanie, deaglomeráciu a mletie!

Výroba farieb pomocou ultrazvuku

Zlepšite svoje farby, farebné zmesi a nátery pomocou sonikácie:

• Formulácia: Či už ide o vysokú viskozitu, vysoký obsah častíc alebo formulácie na báze vody či rozpúšťadiel – s priemyselnými prietokovými ultrazvukovými zariadeniami Hielscher môžete spracovať akúkoľvek formuláciu.
• Mikrometrová a nanometrová veľkosť: Vysoké šmykové sily vytvárané akustickou kavitáciou zmenšujú priemer častíc na nepatrné rozmery a zabezpečujú rovnomernú disperziu. Prispôsobenie parametrov ultrazvukového spracovania požiadavkám na častice a formuláciu umožňuje spoľahlivú výrobu pigmentov s nanometrovou veľkosťou.
• Optické vlastnosti: Na dosiahnutie správnych optických vlastností je potrebné regulovať veľkosť častíc pigmentu. Nepriehľadnosť zvyčajne koreluje s veľkosťou častíc: čím jemnejšie sú častice, tým vyššia je nepriehľadnosť. Napríklad TiO2 sa cielene spracúva na veľkosť častíc 0,20 až 0,3 mikrometra, čo približne zodpovedá polovici vlnovej dĺžky svetla. Ultrazvukové spracovanie zmenšuje pigmenty TiO2 na ich optimálnu veľkosť, čím sa dosahuje maximálna krycia schopnosť.
• Častice s vysokými úžitkovými vlastnosťami: Menšia veľkosť častíc vedie k vyššej sýtosti farby, farebnej stálosti a stabilite. Intenzívne, no presne regulovateľné ultrazvukové sily umožňujú výrobu modifikovaných a funkcionalizovaných nanočastíc, napríklad povlakovaných častíc, SWNTs, MWCNTs a častíc s jadrom a obalom. Takéto častice vykazujú jedinečné vlastnosti a posúvajú formulácie farieb alebo náterov na novú úroveň kvality a funkčnosti (napr. odolnosť proti UV žiareniu, odolnosť proti poškriabaniu, pevnosť, priľnavosť, vysoká tepelná odolnosť, odrazivosť infračerveného a slnečného žiarenia).
• Modifikované častice: Povrchovo modifikované pigmenty majú veľmi nízku viskozitu pri vysokom obsahu pigmentu (2,5cP pri 10% obsahu tuhých látok), vynikajúcu stabilitu suspenzie a vysokú čistotu. Ultrazvukom podporovaná funkcionalizácia častíc uľahčuje syntézu pigmentov s vysokými úžitkovými vlastnosťami a špeciálnymi charakteristikami.

Pigmentové pasty mleté a dispergované pomocou ultrazvukovej kavitácie a vysokých šmykových síl vykazujú výrazné zmenšenie veľkosti častíc a ich rovnomernú distribúciu. Graf vyššie ukazuje rastúce zmenšenie veľkosti častíc so zvyšujúcou sa ultrazvukovou energiou.

Pri výrobe farby sa zložky, ako sú pigmenty, spojivá/ filmotvorné látky, riedidlá/ rozpúšťadlá, živice, plnivá a prísady, musia zmiešať do homogénnej formulácie. Pigmenty sú určujúcou zložkou, ktorá dodáva farbe jej sfarbenie. Najdôležitejším bielym pigmentom je TiO2, ktorý je potrebné zomlieť na optimálnu veľkosť častíc s priemerom medzi 0,2 a 0,3 mikrometra, aby vykazoval požadovaný stupeň belosti, jasu, nepriehľadnosti a veľmi vysoký index lomu. Ultrazvukové šmykové sily zabezpečujú veľmi účinnú a energeticky efektívnu deaglomeráciu a dispergovanie častíc TiO2 (pozri obrázok nižšie).

Snímka suspenzie ultrazvukom dispergovaných nanočastíc TiO2 s rôznymi koncentráciami tuhých látok získaná transmisnou elektrónovou mikroskopiou (TEM). Sonikácia sa uskutočnila pomocou ultrazvukového zariadenia UIP1000hdT
Vľavo: vnesená ultrazvuková energia 1,8 × 10⁵ J/L – Vpravo: vnesená ultrazvuková energia 5,4 × 10⁵ J/L
(Štúdia a obrázky: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ultrazvukové mletie a dispergovanie zvyšujú kvalitu farby zlepšením jej farbiacej sily, hustoty, jemnosti mletia, disperzie a reológie.

Podmienky ultrazvukového dispergovania a mletia

Kvalita farieb a náterov závisí od homogénneho rozptýlenia pigmentov. Hielscher Ultrasonics dodáva účinné zariadenia na mletie a jemné mletie pri dispergovaní farieb, najmä pri formuláciách s vysokým obsahom pigmentu. Mechanizmus ultrazvukových dispergátorov pri mletí, jemnom mletí, deaglomerácii a dispergovaní je založený najmä na šmykovom pôsobení vyvolanom ultrazvukovou kavitáciou. Kavitačné šmykové sily potrebné na rozrušenie častíc vznikajú v dôsledku vysokých tlakových rozdielov, lokálnych horúcich miest a kvapalinových prúdov, čo vedie k rozpadu častíc pri vzájomných zrážkach.
Priemyselné ultrazvukové dispergátory, ako napríklad UIP16000hdT s výkonom 16 000 wattov na ultrazvukovú sondu, majú kapacitu na spracovanie veľkých objemových prúdov farieb a náterov.

Sonikovaná kriedová farba na grindometri preukazuje dokonale rovnomernú deaglomeráciu a distribúciu veľkosti častíc pigmentov

Dispergovanie nanočastíc

Ultrazvukové mletie a dispergovanie je často jedinou metódou účinného spracovania nanočastíc na získanie jednotlivo dispergovaných primárnych častíc. Malá veľkosť primárnych častíc vedie k veľkej ploche povrchu a koreluje s prejavom jedinečných vlastností a funkcií častíc. Menšia veľkosť častíc je zároveň spojená s vysokou povrchovou energiou, ktorá vedie k výraznejšej agregácii a reaktivite, takže na homogénne rozptýlenie nanočastíc vo formulácii sú potrebné intenzívne ultrazvukové dispergačné sily.
Ultrazvuková povrchová úprava môže navyše modifikovať nanočastice, čo vedie k zlepšeniu dispergovateľnosti, stability disperzie, hydrofóbnosti a ďalších vlastností.
Výskumníci odporučili metódu ultrazvukového dispergovania nanočastíc ako uprednostňované riešenie, „pretože materiál dispergovaný ultrazvukovou metódou je oveľa čistejší než materiál vyrobený mletím v perličkovom mlyne.“ [Kim et al. 2010].

Technika ultrazvukového dispergovania má mnoho výhod v porovnaní s tradičnými technológiami mletia, ako sú trojvalcové mlyny, guľové mlyny alebo mlyny s mlecími telesami.

Prečítajte si viac o ultrazvukovej homogenizácii a dispergovaní pigmentov a farbív pre koncentráty a formulácie farieb!

Literatúra / Referencie

• 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.