Formulacije visokozmogljivih lepil – izboljšane z ultrazvočnim dispergiranjem

Visokozmogljiva lepila so sestavljena iz epoksidnih, silikonskih, poliuretanskih, polisulfidnih ali akrilnih sistemov, ki vsebujejo različna (nano)polnila in dodatke, ki lepilu zagotavljajo posebne lastnosti, kot so trdnost lepilnega spoja, majhna masa, trajnost, toplotna odpornost in trajnostnost. Za pripravo formulacij visokozmogljivih lepil je potrebno učinkovito in zanesljivo mešanje. Ultrazvočno dispergiranje in emulgiranje se uporabljata za enakomerno združevanje različnih sestavin v homogene zmesi lepil. Sonikacija v pretočnem sistemu zanesljivo in učinkovito meša tudi zelo viskozne materiale in materiale z visoko vsebnostjo nanopolnil ter tako omogoča izdelavo vrhunskih lepil.

Visoke ultrazvočne strižne sile za dispergiranje visokozmogljivih lepil

Visokozmogljiva lepila zagotavljajo izjemno trdnost lepilnega spoja, trajnost in majhno maso. Glede na končno uporabo se polimeri, kopolimeri in številni dodatki združujejo v formulacije po podrobno izdelanih recepturah.

Epoksidne, silikonske, poliuretanske in akrilne sisteme za lepila pripravljajo strokovnjaki za formulacije, ki osnovo lepila spreminjajo z dodajanjem sredstev za povečanje lepljivosti, mineralnih polnil (smukca, silicijevega dioksida, aluminijevega oksida itd.), sredstev za povečanje prožnosti, sredstev za zmanjšanje viskoznosti, barvil, zgoščeval, pospeševal, sredstev za izboljšanje oprijema itd. Te spremembe služijo več namenom, kot so izboljšanje zmogljivosti in/ali lažja obdelava ali zmanjšanje stroškov. Ultrazvočni dispergatorji z visokimi strižnimi silami so idealni za pripravo formulacij različnih epoksidnih sistemov v pretočnem procesu in omogočajo prilagodljivo proizvodnjo lepil, prilagojenih zahtevam posameznih uporab.

Ultrazvočni mešalniki z visokimi strižnimi silami za zahtevne postopke dispergiranja in emulgiranja

Visokozmogljivi ultrazvočni procesorji delujejo kot mešalniki z visokimi strižnimi silami. Izjemno visoke strižne sile nastajajo zaradi ultrazvočne / akustične kavitacije in so idealne za šaržne in pretočne postopke emulgiranja, dispergiranja, mletja, deaglomeracije in homogenizacije. Z ultrazvočnimi pretočnimi dispergatorji je mogoče preprosto obdelovati materiale z nizkimi do visokimi koncentracijami trdnih snovi in viskoznostmi.

Ultrazvočno mešanje nanomaterialov v lepilih z visokimi strižnimi silami

Nanomateriali, kot so ogljikove nanocevke (CNTs), kovinski nanodelci, nanosilicijev dioksid, nanogline, nanovlakna in številni drugi nanometrski delci, se uporabljajo za izdelavo polimerov, ojačenih z nanomateriali (nanokompozitov). Nanodelci so dobro znani po svoji sposobnosti spreminjanja mehanskih lastnosti (npr. togosti, elastičnosti), električnih lastnosti (npr. prevodnosti), funkcionalnih lastnosti (npr. prepustnosti, temperature steklastega prehoda, modula) in obnašanja termoreaktivnih polimernih lepil pri lomu. Nanomateriali ne zagotavljajo le posebnih visokozmogljivih lastnosti, kot so trdnost lepilnega spoja, trajnost, conduciveness, elastičnost ali toplotna odpornost; dodajanje nanostrukturiranih delcev lahko izboljša tudi pregradne lastnosti polimerov.
Visoke strižne sile ultrazvočno ustvarjene akustične kavitacije so dobro znane po svoji sposobnosti deaglomeracije in dispergiranja nanodelcev ter celo drobljenja primarnih delcev (tj. ultrazvočnega mletja). Ko te ultrazvočne sile delujejo na polimerne sisteme, ki vsebujejo nanodelce in druga polnila, nastane zelo enakomerna formulacija. Ultrazvočno dispergiranje je energijsko učinkovita metoda, ki porabi manj energije kot običajne metode strižnega mešanja, kot so lopatični mešalniki z visokimi strižnimi silami, mešalniki z rotorjem ali mlini.

Videoposnetek prikazuje ultrazvočno mešanje in dispergiranje grafita v 250mL epoksidne smole (Toolcraft L) z ultrazvočnim homogenizatorjem (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics izdeluje opremo za dispergiranje grafita, grafena, ogljikovih nanocevk, nanožic ali polnil v laboratoriju ali v proizvodnih procesih z velikim obsegom. Značilna področja uporabe so dispergiranje nanomaterialov in mikromaterialov med funkcionalizacijo ter njihovo dispergiranje v smole ali polimere.

Kaboori et al. (2013) so dokazali, da je sonikacija učinkovita metoda za dispergiranje plastovitih struktur montmorilonita (MMT) in razvoj lepil PVA, ojačenih z MMT. Sonikacija se je izkazala za zanesljivo in učinkovito pri dispergiranju nanogline v PVA pri nizkih (1% in 2%) in visokih (4%) vsebnostih.
Raziskovalna skupina je ugotovila, da je »ultrazvočna tehnika zelo učinkovita pri dispergiranju nanogline, zlasti pri visokih vsebnostih, v nasprotju s hitrim mešalnikom z visokimi strižnimi silami. Mešanje pri visoki hitrosti je lahko dispergiralo nanoglino v PVA le pri nizkih vsebnostih in je povečalo trdnost lepilnega spoja PVA v različnih pogojih. Mešanje pri visoki hitrosti ima nekatere pomanjkljivosti: možne poškodbe emulzije PVA (zaradi močne strižne sile, uporabljene med mešanjem), visoke stroške in visoko porabo energije. Nasprotno pa ima tehnika sonikacije minimalen negativen vpliv na emulzijo PVA. Poleg tega je tehnika sonikacije ekonomična, saj bi lahko ultrazvočno mešanje potekalo pred proizvodnjo PVA, raztopino, ki vsebuje nanoglino, pa je mogoče dodati PVA med proizvodnim procesom. Ob upoštevanju rezultatov tega članka in našega prejšnjega dela ter prednosti tehnike sonikacije pred mešanjem pri visoki hitrosti se zdi dodajanje nanogline v PVA v industrijskem obsegu izvedljivo in ga je mogoče priporočiti proizvajalcem lepil za les.« (Kaboori et al., 2013)

Učinki ultrazvočnega razplinjevanja pri proizvodnji lepil

Dodatna prednost sonikacije, ki znatno izboljša rezultate priprave formulacij, je učinek razplinjevanja pri ultrazvočni obdelavi. Hitro mehansko mešanje (npr. z lopatičnimi mešalniki z visokimi strižnimi silami) v zmesi ustvari veliko število plinskih mehurčkov, kar je v nekaterih primerih mogoče opaziti celo zaradi svetlejše barve zmesi. Ultrazvočno mešanje z visokimi strižnimi silami ima veliko prednost, da tehnika sonikacije v formulacijo lepila ne vnaša plinov, temveč ultrazvočni valovi prisilijo že prisotne plinske mehurčke, da se združijo in dvignejo na površino tekočine, od koder je plin mogoče preprosto odstraniti. Tako sonikacija spodbuja razplinjevanje in odzračevanje tekočin ter formulacij lepil. (prim. Shadlou et al., 2014)

Visokozmogljivi ultrazvočni dispergatorji za industrijske formulacije lepil

Hielscher Ultrasonics načrtuje, izdeluje in distribuira visokozmogljive ultrazvočne dispergatorje za zahtevne uporabe, kot je proizvodnja visokozmogljivih lepil, smol z visoko vsebnostjo polnil in nanokompozitov. Ultrazvočne naprave Hielscher se po vsem svetu uporabljajo za dispergiranje nanomaterialov v polimere, smole, premaze in druge visokozmogljive materiale.
Ultrazvočne dispergatorje Hielscher je mogoče napajati prek različnih dovodnih tokov, ki pod nadzorovanimi pretočnimi pogoji dovajajo različne materiale v kavitacijsko mešalno območje. Ultrazvočni dispergatorji so zanesljivi in učinkoviti pri obdelavi materialov z nizkimi do visokimi viskoznostmi. Glede na surovine in ciljno zmanjšanje velikosti je mogoče ultrazvočno intenzivnost natančno prilagoditi.
Za obdelavo viskoznih polimernih past, nanomaterialov in materialov z visokimi koncentracijami trdnih snovi mora biti ultrazvočni dispergator sposoben neprekinjeno ustvarjati visoke amplitude. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko pri neprekinjenem delovanju pod polno obremenitvijo zagotavljajo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200µm je mogoče brez težav uporabljati pri delovanju 24/7. Možnost delovanja ultrazvočnega dispergatorja pri visokih amplitudah in natančnega prilagajanja amplitude je potrebna za prilagoditev pogojev ultrazvočnega procesa pripravi formulacij visokozmogljivih lepil, polimernih zmesi, ojačenih z nanomateriali, in nanokompozitov.
Poleg ultrazvočne amplitude je tlak še en zelo pomemben procesni parameter. Pri povišanih tlakih se intenzivnost ultrazvočne kavitacije in njenih strižnih sil poveča. Ultrazvočni reaktorji Hielscher lahko delujejo pod tlakom, s čimer se dosežejo intenzivnejši učinki sonikacije.
Spremljanje procesa in beleženje podatkov sta pomembna za stalno standardizacijo procesa in kakovost izdelkov. Priključljiva tipala tlaka in temperature se povežejo z ultrazvočnim generatorjem za spremljanje in krmiljenje procesa ultrazvočnega dispergiranja. Vsi pomembni parametri obdelave, kot so ultrazvočna energija (neto + skupna), temperatura, tlak in čas, se samodejno beležijo in shranjujejo na vgrajeno kartico SD. Z dostopom do samodejno zabeleženih procesnih podatkov lahko pregledate prejšnje sonikacije in ocenite rezultate procesa.
Druga uporabniku prijazna funkcija je daljinsko upravljanje naših digitalnih ultrazvočnih sistemov prek brskalnika. Z daljinskim upravljanjem prek brskalnika lahko ultrazvočni procesor od koder koli na daljavo zaženete, ustavite, prilagodite in spremljate.
Stopite v stik z nami zdaj in izvedite več o naših visokozmogljivih ultrazvočnih dispergatorjih ter njihovi uporabi pri proizvodnji visokozmogljivih lepil in premazov!
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

---

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.