Ultraljud i beläggningsformulering

Olika komponenter, såsom pigment, fyllmedel, kemiska tillsatser, tvärbindare och reologimodifierare går in i beläggnings- och färgformuleringar. Ultraljud är ett effektivt medel för dispersion och emulgering, deagglomerering och malning av sådana komponenter i beläggningar.

Ultraljud används vid formulering av beläggningar för:

• Emulgering av polymerer i vattenhaltiga system
• dispergering och finmalning av pigment
• Storleksreduktion av nanomaterial i högpresterande beläggningar

Beläggningar kan delas in i två breda kategorier: vattenburna och lösningsmedelsbaserade hartser och beläggningar. Varje typ har sina egna utmaningar. Riktlinjer som uppmanar till minskning av VOC och höga priser på lösningsmedel stimulerar tillväxten inom vattenburna hartsbeläggningstekniker. Användningen av ultraljud kan förbättra prestandan hos sådana miljövänliga system.

Förbättrad beläggningsformulering på grund av ultraljud

Ultraljud kan hjälpa formulerare av arkitektoniska, industriella, fordons- och träbeläggningar för att förbättra beläggningens egenskaper, såsom färghållfasthet, repor, sprickor och UV-beständighet eller elektrisk ledningsförmåga. Vissa av dessa beläggningsegenskaper uppnås genom tillsats av material i nanostorlek, t.ex. metalloxider (TiO)₂, kiseldioxid, ceria, ZnO, …).

Ultraljud hjälper ytterligare till att skumma (instängda bubblor) och avgasa (upplöst gas) av mycket viskösa produkter. Läs mer om ultraljudsavluftning och avgasning av vätskor!

Eftersom ultraljudsdispergeringsteknik kan användas på labb-, bänk- och industriell produktionsnivå, vilket möjliggör genomströmningshastigheter över 10 ton/timme, tillämpas den i R&D-scenen och i den kommersiella produktionen. Processresultaten kan skalas upp enkelt och linjärt.

Hielscher ultraljudsapparater är mycket energieffektiva. Enheterna omvandlar ca 80 till 90 % av den elektriska ineffekten till mekanisk aktivitet i vätskan. Detta leder till betydligt lägre bearbetningskostnader.

Genom att följa länkarna nedan kan du läsa mer om användningen av högpresterande ultraljud för

• Emulgering av polymerer i vattenhaltiga system,
• dispergering och finmalning av pigment,
• och Storleksreduktion av nanomaterial.

Emulsion Polymerisation med hjälp av ultraljudsbehandling

Traditionella beläggningsformuleringar använder grundläggande polymerkemi. Övergången till vattenbaserad beläggningsteknik har en inverkan på val av råmaterial, egenskaper och formuleringsmetoder.

Vid konventionell emulsionspolymerisation, t.ex. för vattenburna beläggningar, byggs partiklarna upp från centrum till ytan. Kinetiska faktorer påverkar partiklarnas homogenitet och morfologi.

Ultraljudsbearbetning kan användas på två sätt för att generera polymeremulsioner.

• uppifrån och ned: Emulsifying/Spridning av större polymerpartiklar för att generera mindre partiklar genom storleksreduktion
• nedifrån och upp: Användning av ultraljud före eller under partikelpolymerisation

 

 

Nanopartikulerade polymerer i miniemulsioner

Polymerisationen av partiklar i miniemulsioner möjliggör tillverkning av dispergerade polymerpartiklar med god kontroll över partikelstorleken. Syntesen av nanopartikelformiga polymerpartiklar i miniemulsioner (även kända som nanoreaktorer), som presenteras av K. Landfester (2001), är en utmärkt metod för bildning av polymera nanopartiklar. Detta tillvägagångssätt använder det stora antalet små nanofack (dispersionsfas) i en emulsion som nanoreaktorer. I dessa syntetiseras partiklarna på ett mycket parallellt sätt i de enskilda, inneslutna dropparna. I sin artikel presenterar Landfester (2001) polymerisationen i nanoreaktorer i hög perfektion för generering av mycket identiska partiklar av nästan likformig storlek. Bilden ovan visar partiklar erhållna genom ultraljudsassisterad polyaddition i miniemulsioner.

Små droppar som genereras genom applicering av hög skjuvning (ultraljud) och stabiliseras av stabiliseringsmedel (emulgeringsmedel), kan härdas genom efterföljande polymerisation eller genom temperaturminskning vid lågtemperatursmältningsmaterial. Eftersom ultraljud kan producera mycket små droppar av nästan enhetlig storlek i batch- och produktionsprocessen, möjliggör det en bra kontroll över den slutliga partikelstorleken. För polymerisation av nanopartiklar kan hydrofila monomerer emulgeras till en organisk fas och hydrofoba monomerer i vatten.

När partikelstorleken minskar ökar samtidigt den totala partikelytan. Bilden till vänster visar sambandet mellan partikelstorlek och ytarea när det gäller sfäriska partiklar. Därför ökar mängden ytaktivt ämne som behövs för att stabilisera emulsionen nästan linjärt med den totala partikelytan. Typen och mängden ytaktivt ämne påverkar droppstorleken. Droppar på 30 till 200 nm kan erhållas med anjoniska eller katjoniska ytaktiva ämnen.

Pigment i beläggningar

Organiska och oorganiska pigment är en viktig komponent i beläggningsformuleringar. För att maximera pigmentets prestanda krävs god kontroll över partikelstorleken. När man tillsätter pigmentpulver till vattenburna, lösningsmedelsburna eller epoxisystem tenderar de enskilda pigmentpartiklarna att bilda stora agglomerat. Mekanismer med hög skjuvning, t.ex. rotor-statorblandare eller omrörarpärlkvarnar, används konventionellt för att bryta sådana agglomerat och för att mala ner de enskilda pigmentpartiklarna. Ultraljud i ett extremt effektivt alternativ för detta steg i tillverkningen av beläggningar.

Graferna nedan visar effekten av ultraljudsbehandling på storleken på en pärlglanspigment. Ultraljudet maler de enskilda pigmentpartiklarna genom höghastighetskollision mellan partiklarna. Den framträdande fördelen med ultraljud är den höga effekten av kavitationella skjuvkrafter, vilket gör användningen av slipmedier (t.ex. pärlor, pärlor) onödig. När partiklarna accelereras av extremt snabba vätskestrålar på upp till 1000 km/h, kolliderar de våldsamt och splittras i små bitar. Partikelnötning ger de ultraljudsfrästa partiklarna en slät yta. Sammantaget resulterar ultraljudsfräsning och dispersion i en fin storlek och enhetlig partikelfördelning.

 

Ultraljud fräsning och dispergering utmärker sig ofta höghastighetsblandare och mediakvarnar eftersom ultraljudsbehandling ger en mer konsekvent bearbetning av alla partiklar. Generellt, ultraljud ger mindre partikelstorlekar och en smal partikelstorleksfördelning (pigment fräskurvor). Detta förbättrar den övergripande kvaliteten på pigmentdispersionerna, eftersom större partiklar vanligtvis stör bearbetningsförmågan, glansen, motståndet och det optiska utseendet.

Eftersom malning och malning av partiklar är baserad på kollision mellan partiklar som ett resultat av ultraljudskavitation, kan ultraljudsreaktorer hantera ganska höga koncentrationer av fasta ämnen (t.ex. masterbatcher) och ändå ge bra storleksreduktionseffekter. Tabellen nedan visar bilder på våtmalning av TiO2.

Diagrammet nedan visar kurvorna för partikelstorleksfördelningen för deagglomerering av Degussa anatas titandioxid genom ultraljud. Den smala formen på kurvan efter ultraljudsbehandling är ett typiskt inslag i ultraljudsbehandling.

Material i nanostorlek i högpresterande beläggningar

Nanoteknik är en framväxande teknik som tar sig in i många branscher. Nanomaterial och nanokompositer används i beläggningsformuleringar, t.ex. för att förbättra nötnings- och reptåligheten eller UV-stabiliteten. Den största utmaningen för applicering i beläggningar är att bibehålla transparens, klarhet och glans. Därför måste nanopartiklarna vara mycket små för att undvika interferens med ljusets synliga spektrum. För många applikationer är detta betydligt lägre än 100 nm.

Våtslipning av högpresterande komponenter till nanometerområdet blir ett avgörande steg i formuleringen av nanotekniska beläggningar. Alla partiklar som stör det synliga ljuset orsakar dis och förlust av transparens. Därför krävs mycket smala storleksfördelningar. Ultraljud är ett mycket effektivt medel för finmalning av fasta ämnen. Ultraljud / akustisk kavitation i vätskor orsakar kollisioner mellan partiklar med hög hastighet. Till skillnad från konventionella pärlkvarnar och stenkvarnar finfördelar själva partiklarna varandra, vilket gör malningsmedia onödigt.

Företag, som Panadur (Tyskland) använda Hielscher ultraljudsapparater för dispergering och deagglomerering av nanomaterial i in-mould beläggningar. Klicka här för att läsa mer om ultraljudsdispersion av in-mould beläggningar!

För ultraljudsbehandling av brandfarliga vätskor eller lösningsmedel i farliga miljöer finns ATEX-certifierade processorer tillgängliga. Lär dig mer om Atex-certifierad ultraljudsapparat UIP1000-Exd!