Ултразвук у формулацији премаза
Различите компоненте, као што су пигменти, пунила, хемијски адитиви, умрежаваоци и модификатори реологије иду у формулације премаза и боја. Ултразвук је ефикасно средство за дисперзију и емулговање, деагломерацију и млевење таквих компоненти у премазима.
Ултразвук се користи у формулацији премаза за:
- емулговање полимера у воденим системима
- дисперговање и фино млевење пигмената
- смањење величине наноматеријала у премазима високих перформанси
Премази спадају у две широке категорије: смоле и премази на бази воде и на бази растварача. Сваки тип има своје изазове. Правци који захтевају смањење ВОЦ-а и високе цене растварача стимулишу раст технологија премаза на бази смоле на бази воде. Употреба ултразвучне обраде може побољшати перформансе таквих еколошки прихватљивих система.
Побољшана формулација премаза због ултразвучне обраде
Ултразвук може помоћи формулаторима архитектонских, индустријских, аутомобилских и дрвених премаза да побољшају карактеристике премаза, као што су јачина боје, огреботине, пукотине и УВ отпорност или електрична проводљивост. Неке од ових карактеристика премаза се постижу укључивањем материјала нано величине, нпр. металних оксида (ТиО2, силицијум диоксид, церије, ЗнО, …).
Како се технологија ултразвучног дисперговања може користити на нивоу лабораторије, столне и индустријске производње, омогућавајући проток преко 10 тона/сат, примењује се у Р&Д фази иу комерцијалној производњи. Резултати процеса се могу лако и линеарно увећати.
Хиелсцхер ултразвучни уређаји су енергетски ефикасни. Уређаји претварају прибл. 80 до 90% електричне улазне снаге у механичку активност у течности. Ово доводи до знатно нижих трошкова обраде.
Пратећи доње везе, можете прочитати више о употреби ултразвука високих перформанси за
- емулговање полимера у воденим системима,
- дисперговање и фино млевење пигмената,
- и смањење величине наноматеријала.
Полимеризација емулзије коришћењем соникације
Традиционалне формулације премаза користе основну хемију полимера. Промена технологије премаза на бази воде утиче на избор сировина, својства и методологије формулације.
У конвенционалној емулзионој полимеризацији, нпр. за премазе на бази воде, честице се граде од центра ка њиховој површини. Кинетички фактори утичу на хомогеност и морфологију честица.
Ултразвучна обрада се може користити на два начина за генерисање полимерних емулзија.
- одозго надоле: Емулгирајуће/Дисперсинг већих полимерних честица за стварање мањих честица смањењем величине
- одоздо према горе: Употреба ултразвука пре или током полимеризације честица
Нанопартикуларни полимери у миниемулзијама
Полимеризација честица у миниемулзијама омогућава производњу диспергованих полимерних честица са добром контролом величине честица. Синтеза наночестица полимера у миниемулзијама (такође познатим као нанореактори), како их је представио К. Ландфестер (2001), је одличан метод за формирање полимерних наночестица. Овај приступ користи велики број малих нанокомпартмана (дисперзна фаза) у емулзији као нанореактори. У њима се честице синтетишу на веома паралелан начин у појединачним, затвореним капљицама. У свом раду, Ландфестер (2001) представља полимеризацију у нанореакторима у високом савршенству за стварање веома идентичних честица скоро уједначене величине. Слика изнад приказује честице добијене ултразвучном полиадицијом у миниемулзијама.
Мале капљице настале применом високог смицања (ултрасоникација) и стабилизоване стабилизаторима (емулгатори), могу се очврснути накнадном полимеризацијом или смањењем температуре у случају материјала који се тапе на ниској температури. Како ултразвук може произвести веома мале капљице скоро уједначене величине у серијском и производном процесу, омогућава добру контролу над коначном величином честица. За полимеризацију наночестица, хидрофилни мономери се могу емулговати у органску фазу, а хидрофобни мономери у води.
Приликом смањења величине честица, укупна површина честица се истовремено повећава. Слика лево показује корелацију између величине честица и површине у случају сферних честица. Због тога се количина сурфактанта потребна за стабилизацију емулзије повећава скоро линеарно са укупном површином честица. Врста и количина сурфактанта утиче на величину капљице. Капљице од 30 до 200 нм могу се добити коришћењем ањонских или катјонских сурфактаната.
Пигменти у премазима
Органски и неоргански пигменти су важна компонента формулација премаза. Да би се максимизирао учинак пигмента потребна је добра контрола над величином честица. Приликом додавања пигментног праха у системе на бази воде, растварача или епоксида, појединачне честице пигмента имају тенденцију да формирају велике агломерате. Механизми са високим смицањем, као што су миксери ротор-статор или млинови за мешање перли се конвенционално користе за разбијање таквих агломерата и за млевење појединачних честица пигмента. Ултразвук је изузетно ефикасна алтернатива за овај корак у производњи премаза.
Графикони испод показују утицај ултразвучне обраде на величину пигмента бисерног сјаја. Ултразвук меље појединачне честице пигмента брзим сударом између честица. Истакнута предност ултразвучне обраде је велики утицај кавитационих сила смицања, што чини употребу медија за млевење (нпр. перле, перле) непотребним. Пошто се честице убрзавају екстремно брзим млазовима течности до 1000 км/х, они се снажно сударају и разбијају на мале комадиће. Абразија честица даје ултразвучно млевеним честицама глатку површину. Све у свему, ултразвучно млевење и дисперзија резултирају фином величином и уједначеном дистрибуцијом честица.
Ултразвучно млевење и дисперговање често надмашује миксере велике брзине и млинове медија јер соникација обезбеђује конзистентнију обраду свих честица. Генерално, ултразвук производи мање величине честица и уску дистрибуцију величине честица (криве млевења пигмента). Ово побољшава укупан квалитет дисперзија пигмента, пошто веће честице обично ометају способност обраде, сјај, отпорност и оптички изглед.
Пошто је млевење и млевење честица засновано на судару између честица као резултат ултразвучне кавитације, ултразвучни реактори могу да поднесу прилично високе концентрације чврсте супстанце (нпр. мастер шарже) и још увек производе добре ефекте смањења величине. Табела испод приказује слике мокрог млевења ТиО2.
Графикон испод приказује криве расподеле величине честица за деагломерацију Дегусса анатаз титанијум диоксида ултразвучном обрадом. Уски облик кривине након ултразвучне обраде је типична карактеристика ултразвучне обраде.
Материјали нанозе у премазима високих перформанси
Нанотехнологија је нова технологија која се пробија у многе индустрије. Наноматеријали и нанокомпозити се користе у формулацијама премаза, нпр. за повећање отпорности на абразију и гребање или УВ-стабилност. Највећи изазов за примену у премазима је задржавање транспарентности, јасноће и сјаја. Стога, наночестице морају бити веома мале да би се избегле сметње у видљивом спектру светлости. За многе апликације, ово је знатно ниже од 100 нм.
Влажно млевење компоненти високих перформанси до нанометарског опсега постаје кључни корак у формулацији наноинжењерских премаза. Све честице које ометају видљиву светлост, узрокују маглу и губитак транспарентности. Због тога су потребне веома уске расподеле величине. Ултразвучна обрада је веома ефикасно средство за фино млевење чврстих материја. Ултразвучна/акустична кавитација у течностима изазива велике брзине судара између честица. За разлику од конвенционалних млинова за перле и млинова за шљунак, саме честице се уситњавају, чинећи медијум за млевење непотребним.
Компаније, као Панадур (Немачка) користите Хиелсцхер ултрасоницаторе за дисперговање и деагломерацију наноматеријала у премазима у калупима. Кликните овде да прочитате више о ултразвучној дисперзији премаза у калупу!
За соникацију запаљивих течности или растварача у опасним окружењима доступни су процесори са АТЕКС сертификатом. Сазнајте више о Атек сертификованом ултрасоникатору УИП1000-Екд!
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Књижевност
- Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, in: Ultrasonics Sonochemistry 7, 2000. 77-85.
- Behrend, O., Schubert, H. (2001): Influence of hydrostatic pressure and gas content on continuous ultrasound emulsification, in: Ultrasonics Sonochemistry 8, 2001. 271-276.
- Landfester, K. (2001): The Generation of Nanoparticles in Miniemulsions; in: Advanced Materials 2001, 13, No 10, May17th. Wiley-VCH.
- Hielscher, T. (2005): Ultrasonic Production of Nano-Size Dispersions and Emulsions, in: Proceedings of European Nanosystems Conference ENS’05.