Ултразвук у формулисању премаза

Различите компоненте, као што су пигменти, пунила, хемијски адитиви, средства за умрежавање и модификатори реологије, улазе у формулације премаза и боја. Ултразвук је ефикасно средство за дисперговање и емулговање, деагломерацију и млевење таквих компонената у премазима.

Ултразвук се користи при формулисању премаза за:

• емулговање полимера у воденим системима
• дисперговање и фино млевење пигмената
• смањење величине наноматеријала у премазима високих перформанси

Премази се деле у две широке категорије: смоле и премази на бази воде и на бази растварача. Свака врста има своје изазове. Захтеви за смањење испарљивих органских једињења (VOC) и високе цене растварача подстичу развој технологија премаза на бази водених смола. Примена ултразвучне обраде може побољшати перформансе таквих еколошки прихватљивих система.

Побољшано формулисање премаза применом ултразвучне обраде

Ултразвук може помоћи стручњацима који формулишу архитектонске, индустријске, аутомобилске и премазе за дрво да побољшају својства премаза, као што су моћ бојења, отпорност на гребање, пуцање и УВ зрачење или електрична проводљивост. Нека од ових својстава премаза постижу се додавањем материјала нанометарских димензија, нпр. оксида метала (TiO₂, силицијум-диоксид, церијум-диоксид, ZnO, …).

Ултразвук такође помаже при уклањању пене (заробљених мехурића) и дегазацији (раствореног гаса) производа високе вискозности. Прочитајте више о ултразвучном уклањању ваздуха и дегазацији течности!

Пошто се технологија ултразвучног дисперговања може користити у лабораторији, на стоним уређајима и у индустријској производњи, уз капацитет обраде већи од 10 тона/сат, примењује се у фази истраживања и развоја и у комерцијалној производњи. Резултати процеса могу се лако и линеарно пренети на већи обим производње.

Ултразвучни уређаји Hielscher су веома енергетски ефикасни. Уређаји претварају приближно 80 до 90% улазне електричне снаге у механичко деловање у течности. То доводи до знатно нижих трошкова обраде.

Пратећи линкове у наставку, можете прочитати више о примени ултразвука високих перформанси за

• емулговање полимера у воденим системима,
• дисперговање и фино млевење пигмената,
• и смањење величине наноматеријала.

Емулзиона полимеризација применом соникације

Традиционалне формулације премаза користе основну хемију полимера. Прелазак на технологију премаза на бази воде утиче на избор сировина, својства и методологије формулисања.

У конвенционалној емулзионој полимеризацији, нпр. за премазе на бази воде, честице се изграђују од средишта ка својој површини. Кинетички фактори утичу на хомогеност и морфологију честица.

Ултразвучна обрада може се користити на два начина за добијање полимерних емулзија.

• Одозго надоле: Емулговање/дисперговање већих полимерних честица ради добијања мањих честица смањењем величине
• Одоздо нагоре: Примена ултразвука пре или током полимеризације честица

 

У овом видеу приказујемо ултразвучни систем од 2 киловата за рад у протоку, смештен у орман са могућношћу продувавања. Hielscher испоручује ултразвучну опрему за готово све индустријске гране, као што су хемијска, фармацеутска и козметичка индустрија, петрохемијски процеси, као и процеси екстракције растварачима. Овај орман од нерђајућег челика са могућношћу продувавања пројектован је за рад у зонама опасности од експлозије. У ту сврху корисник може продувавати заптивени орман азотом или свежим ваздухом како би спречио улазак запаљивих гасова или пара у орман.

 

Наночестични полимери у миниемулзијама

Полимеризација честица у миниемулзијама омогућава производњу диспергованих полимерних честица уз добру контролу величине честица. Синтеза наночестица полимера у миниемулзијама (познатим и као нанореактори), коју је представила K. Landfester (2001), одлична је метода за формирање полимерних наночестица. Овај приступ користи велики број малих наноодељака (дисперзна фаза) у емулзији као нанореакторе. У њима се честице синтетишу у великом броју паралелних процеса у појединачним, ограниченим капљицама. У свом раду Landfester (2001) представља полимеризацију у нанореакторима са високим степеном савршенства ради добијања честица високог степена међусобне идентичности и готово уједначене величине. Слика изнад приказује честице добијене полиадицијом потпомогнутом ултразвуком у миниемулзијама.

Мале капљице настале применом снажног смицања (ултразвучном обрадом) и стабилизоване стабилизаторима (емулгаторима) могу се очврснути накнадном полимеризацијом или снижавањем температуре у случају материјала који се топе на ниским температурама. Пошто ултразвучна обрада може да произведе веома мале капљице готово уједначене величине у шаржним и производним процесима, она омогућава добру контролу коначне величине честица. За полимеризацију наночестица, хидрофилни мономери могу се емулговати у органској фази, а хидрофобни мономери у води.

При смањењу величине честица истовремено се повећава њихова укупна површина. Слика са леве стране приказује повезаност величине честица и површине у случају сферних честица. Стога се количина површински активне материје потребна за стабилизацију емулзије повећава готово линеарно са укупном површином честица. Врста и количина површински активне материје утичу на величину капљица. Капљице величине од 30 до 200nm могу се добити употребом анјонских или катјонских површински активних материја.

Пигменти у премазима

Органски и неоргански пигменти су важна компонента формулација премаза. Да би се постигле максималне перформансе пигмената, потребна је добра контрола величине честица. При додавању пигмента у праху у системе на бази воде, растварача или епоксидних смола, појединачне честице пигмента имају тенденцију да формирају велике агломерате. Механизми са снажним смицањем, као што су роторско-статорске мешалице или млинови са куглицама и мешалицом, уобичајено се користе за разбијање таквих агломерата и уситњавање појединачних честица пигмента. Ултразвучна обрада је изузетно ефикасна алтернатива за овај корак у производњи премаза.

Графикони испод приказују утицај ултразвучне обраде на величину пигмента бисерног сјаја. Ултразвук уситњава појединачне честице пигмента међусобним сударима честица при великим брзинама. Истакнута предност ултразвучне обраде је снажно дејство кавитационих сила смицања, због чега употреба средстава за млевење (нпр. куглица, перли) постаје непотребна. Пошто се честице убрзавају изузетно брзим млазевима течности брзине до 1000km/hr, оне се снажно сударају и распадају на ситне делове. Абразија честица даје ултразвучно самлевеним честицама глатку површину. У целини, ултразвучно млевење и дисперговање доводе до ситних честица и уједначене расподеле њихових величина.

 

Ултразвучно млевење и дисперговање често надмашују мешалице велике брзине и млинове са медијима за млевење, јер соникација обезбеђује уједначенију обраду свих честица. Уопштено, ултразвучна обрада даје мање честице и уску расподелу величине честица (криве млевења пигмената). То побољшава укупан квалитет дисперзија пигмената, јер веће честице обично неповољно утичу на обрадивост, сјај, отпорност и оптички изглед.

Пошто се млевење и уситњавање честица заснивају на међусобним сударима честица услед ултразвучне кавитације, ултразвучни реактори могу да обрађују прилично високе концентрације чврсте материје (нпр. концентроване предсмеше) и да притом остваре добре ефекте смањења величине честица. Табела испод приказује слике мокрог млевења TiO2.

Графикон испод приказује криве расподеле величине честица при деагломерацији анатасног титанијум-диоксида произвођача Degussa ултразвучном обрадом. Узани облик криве после соникације типична је одлика ултразвучне обраде.

Материјали нанометарских димензија у премазима високих перформанси

Нанотехнологија је технологија у развоју која налази примену у многим индустријама. Наноматеријали и нанокомпозити користе се у формулацијама премаза, нпр. за побољшање отпорности на абразију и гребање или УВ стабилности. Највећи изазов при примени у премазима јесте очување провидности, бистрине и сјаја. Зато наночестице морају бити веома мале како не би ометале видљиви део спектра светлости. За многе примене та величина је знатно мања од 100nm.

Мокро млевење компоненти високих перформанси до нанометарског опсега постаје кључни корак у формулисању наноинжењерских премаза. Све честице које ометају видљиву светлост изазивају замућење и губитак провидности. Зато су потребне веома уске расподеле величине честица. Ултразвучна обрада је веома делотворно средство за фино млевење чврстих материја. Ултразвучна / акустичка кавитација у течностима изазива међусобне сударе честица при великим брзинама. За разлику од конвенционалних млинова са перлама и млинова са облуцима, саме честице међусобно се уситњавају, чиме медији за млевење постају непотребни.

Компаније попут Panadur (Немачка) користе Hielscher ултразвучне уређаје за дисперговање и деагломерацију наноматеријала у премазима који се наносе у калупу. Кликните овде да бисте прочитали више о ултразвучном дисперговању премаза који се наносе у калупу!

За соникацију запаљивих течности или растварача у опасним срединама доступни су процесори са ATEX сертификатом. Сазнајте више о ултразвучном уређају UIP1000-Exd са ATEX сертификатом!