Ultrazvok pri formuliranju premazov

V formulacije premazov in barv se vključujejo različne sestavine, kot so pigmenti, polnila, kemični dodatki, zamreževala in modifikatorji reologije. Ultrazvok je učinkovito sredstvo za dispergiranje in emulgiranje, deaglomeracijo ter mletje takšnih sestavin v premazih.

Ultrazvok se pri formuliranju premazov uporablja za:

• emulgiranje polimerov v vodnih sistemih
• dispergiranje in fino mletje pigmentov
• zmanjševanje velikosti nanomaterialov v visokozmogljivih premazih

Premazi se delijo v dve širši kategoriji: smole in premazi na vodni osnovi ter smole in premazi na osnovi topil. Vsaka vrsta ima svoje izzive. Usmeritve, ki zahtevajo zmanjšanje emisij hlapnih organskih spojin (VOC), in visoke cene topil spodbujajo razvoj tehnologij premazov na osnovi vodnih smol. Uporaba ultrazvočne obdelave lahko izboljša učinkovitost takšnih okolju prijaznih sistemov.

Izboljšano formuliranje premazov z ultrazvočno obdelavo

Ultrazvok lahko snovalcem formulacij arhitekturnih, industrijskih in avtomobilskih premazov ter premazov za les pomaga izboljšati lastnosti premazov, kot so barvna moč, odpornost proti praskam, razpokam in UV-sevanju ali električna prevodnost. Nekatere od teh lastnosti premazov se dosežejo z vključevanjem materialov nanometrske velikosti, npr. kovinskih oksidov (TiO₂, silicijev dioksid, cerijev dioksid, ZnO, …).

Ultrazvok pomaga tudi pri odstranjevanju pene (ujetih mehurčkov) in razplinjevanju (raztopljenega plina) zelo viskoznih izdelkov. Preberite več o ultrazvočnem odstranjevanju zraka in razplinjevanju tekočin!

Ker se tehnologija ultrazvočnega dispergiranja lahko uporablja na laboratorijski ravni, z namiznimi napravami in na ravni industrijske proizvodnje ter omogoča zmogljivost obdelave nad 10 ton/uro, se uporablja v fazi raziskav in razvoja ter v komercialni proizvodnji. Rezultate procesa je mogoče preprosto in linearno prenesti na večje merilo.

Ultrazvočne naprave Hielscher so zelo energijsko učinkovite. Naprave pretvorijo približno 80 do 90% vhodne električne moči v mehansko delovanje v tekočini. To privede do bistveno nižjih stroškov obdelave.

Na spodnjih povezavah lahko preberete več o uporabi visokozmogljivega ultrazvoka za

• emulgiranje polimerov v vodnih sistemih,
• dispergiranje in fino mletje pigmentov,
• in zmanjševanje velikosti nanomaterialov.

Emulzijska polimerizacija s sonikacijo

Tradicionalne formulacije premazov uporabljajo osnovno kemijo polimerov. Prehod na tehnologijo premazov na vodni osnovi vpliva na izbiro surovin, lastnosti in metodologije formuliranja.

Pri običajni emulzijski polimerizaciji, npr. za premaze na vodni osnovi, delci nastajajo od središča proti svoji površini. Kinetični dejavniki vplivajo na homogenost in morfologijo delcev.

Ultrazvočna obdelava se lahko za pripravo polimernih emulzij uporablja na dva načina.

• Od zgoraj navzdol: Emulgiranje/dispergiranje večjih polimernih delcev za nastanek manjših delcev z zmanjševanjem velikosti
• Od spodaj navzgor: Uporaba ultrazvoka pred polimerizacijo delcev ali med njo

 

V tem videoposnetku vam predstavljamo ultrazvočni sistem z močjo 2 kilovata za pretočno delovanje v omari z možnostjo prepihovanja. Hielscher dobavlja ultrazvočno opremo za skoraj vse industrijske panoge, med drugim za kemično, farmacevtsko in kozmetično industrijo, petrokemične procese ter postopke ekstrakcije s topili. Ta omara iz nerjavnega jekla z možnostjo prepihovanja je zasnovana za delovanje v eksplozijsko ogroženih območjih. V ta namen lahko uporabnik zatesnjeno omaro prepihuje z dušikom ali svežim zrakom, da prepreči vdor vnetljivih plinov ali hlapov vanjo.

 

Nanodelčni polimeri v miniemulzijah

Polimerizacija delcev v miniemulzijah omogoča izdelavo dispergiranih polimernih delcev z dobrim nadzorom nad velikostjo delcev. Sinteza polimernih nanodelcev v miniemulzijah (znanih tudi kot nanoreaktorji), kot jo je predstavila K. Landfester (2001), je odlična metoda za tvorbo polimernih nanodelcev. Ta pristop uporablja veliko število majhnih nanometrskih predelkov (disperzne faze) v emulziji kot nanoreaktorje. V njih se delci sintetizirajo izrazito vzporedno v posameznih, prostorsko omejenih kapljicah. Landfester (2001) v svojem članku predstavlja zelo dovršeno polimerizacijo v nanoreaktorjih za tvorbo zelo enakih delcev skoraj enotne velikosti. Zgornja slika prikazuje delce, pridobljene z ultrazvočno podprto poliadicijo v miniemulzijah.

Majhne kapljice, ki nastanejo z delovanjem visokega striga (ultrazvočne obdelave) in so stabilizirane s stabilizatorji (emulgatorji), je mogoče utrditi z naknadno polimerizacijo ali z znižanjem temperature pri materialih z nizko temperaturo tališča. Ker lahko ultrazvočna obdelava v šaržnem in proizvodnem procesu ustvari zelo majhne kapljice skoraj enotne velikosti, omogoča dober nadzor nad končno velikostjo delcev. Za polimerizacijo nanodelcev je mogoče hidrofilne monomere emulgirati v organski fazi, hidrofobne monomere pa v vodi.

Pri zmanjševanju velikosti delcev se hkrati povečuje skupna površina delcev. Slika na levi prikazuje povezavo med velikostjo delcev in površino pri kroglastih delcih. Zato se količina površinsko aktivne snovi, potrebne za stabilizacijo emulzije, povečuje skoraj linearno s skupno površino delcev. Vrsta in količina površinsko aktivne snovi vplivata na velikost kapljic. Z uporabo anionskih ali kationskih površinsko aktivnih snovi je mogoče dobiti kapljice velikosti od 30 do 200nm.

Pigmenti v premazih

Organski in anorganski pigmenti so pomembna sestavina formulacij premazov. Za doseganje največje učinkovitosti pigmentov je potreben dober nadzor nad velikostjo delcev. Pri dodajanju pigmentnega prahu v sisteme na vodni osnovi, sisteme na osnovi topil ali epoksidne sisteme posamezni delci pigmenta težijo k tvorbi velikih aglomeratov. Za razbijanje takšnih aglomeratov in mletje posameznih delcev pigmenta se običajno uporabljajo mehanizmi z visokim strigom, kot so rotorsko-statorski mešalniki ali kroglični mlini z mešalom. Ultrazvočna obdelava je izjemno učinkovita alternativa za ta korak pri izdelavi premazov.

Spodnji grafi prikazujejo vpliv sonikacije na velikost pigmenta z bisernim leskom. Ultrazvok melje posamezne delce pigmenta s hitrimi trki med delci. Izrazita prednost ultrazvočne obdelave je močan učinek kavitacijskih strižnih sil, zaradi katerega uporaba mlevnih teles (npr. kroglic, perl) ni potrebna. Ker delce pospešujejo izjemno hitri curki tekočine s hitrostjo do 1000km/hr, delci silovito trkajo in se razbijajo na majhne koščke. Obraba delcev daje ultrazvočno mletim delcem gladko površino. Na splošno ultrazvočno mletje in dispergiranje zagotavljata porazdelitev drobnih delcev z enotno velikostjo.

 

Ultrazvočno mletje in dispergiranje pogosto presegata zmogljivost hitrih mešalnikov in mlinov z mlevnimi telesi, saj sonikacija zagotavlja enakomernejšo obdelavo vseh delcev. Na splošno ultrazvočna obdelava zagotavlja manjše delce in ozko porazdelitev velikosti delcev (krivulje mletja pigmentov). To izboljša splošno kakovost pigmentnih disperzij, saj večji delci običajno ovirajo obdelovalnost, sijaj, odpornost in optični videz.

Ker mletje in drobljenje delcev temeljita na trkih med delci zaradi ultrazvočne kavitacije, lahko ultrazvočni reaktorji obdelujejo precej visoke koncentracije trdnih snovi (npr. koncentrate) in še vedno dosegajo dobre učinke zmanjševanja velikosti. Spodnja tabela prikazuje slike mokrega mletja TiO2.

Spodnji graf prikazuje krivulje porazdelitve velikosti delcev pri deaglomeraciji anataznega titanovega dioksida Degussa z ultrazvočno obdelavo. Ozka oblika krivulje po sonikaciji je značilna lastnost ultrazvočne obdelave.

Materiali nanometrske velikosti v visokozmogljivih premazih

Nanotehnologija je nastajajoča tehnologija, ki se uveljavlja v številnih industrijskih panogah. Nanomateriali in nanokompoziti se uporabljajo v formulacijah premazov, npr. za izboljšanje odpornosti proti obrabi in praskam ali UV-stabilnosti. Največji izziv pri uporabi v premazih je ohranjanje prosojnosti, bistrosti in sijaja. Zato morajo biti nanodelci zelo majhni, da ne vplivajo na vidni spekter svetlobe. Za številne uporabe je ta velikost bistveno manjša od 100nm.

Mokro mletje visokozmogljivih sestavin do nanometrskega območja postaja ključen korak pri formuliranju nanotehnološko zasnovanih premazov. Vsi delci, ki vplivajo na vidno svetlobo, povzročajo motnost in izgubo prosojnosti. Zato so potrebne zelo ozke porazdelitve velikosti. Ultrazvočna obdelava je zelo učinkovito sredstvo za fino mletje trdnih snovi. Ultrazvočna / akustična kavitacija v tekočinah povzroča hitre trke med delci. Za razliko od običajnih krogličnih mlinov in mlinov s prodniki se delci sami medsebojno drobijo, zato mlevna telesa niso potrebna.

Podjetja, kot je Panadur (Nemčija), uporabljajo ultrazvočne naprave Hielscher za dispergiranje in deaglomeracijo nanomaterialov v premazih, ki se nanašajo v kalupu. Kliknite tukaj in preberite več o ultrazvočnem dispergiranju premazov, ki se nanašajo v kalupu!

Za sonikacijo vnetljivih tekočin ali topil v nevarnih okoljih so na voljo procesorji s certifikatom ATEX. Izvedite več o ultrazvočni napravi UIP1000-Exd s certifikatom Atex!