Ultraljud vid formulering av beläggningar

Olika komponenter, såsom pigment, fyllmedel, kemiska tillsatser, tvärbindare och reologimodifierare, ingår i beläggnings- och färgformuleringar. Ultraljud är ett effektivt sätt att dispergera, emulgera, deagglomerera och mala sådana komponenter i beläggningar.

Ultraljud används vid formulering av beläggningar för:

• emulgering av polymerer i vattenbaserade system
• dispergering och finmalning av pigment
• storleksreduktion av nanomaterial i högpresterande beläggningar

Beläggningar delas in i två huvudkategorier: vattenburna och lösningsmedelsbaserade hartser och beläggningar. Varje typ har sina egna utmaningar. Riktlinjer som kräver minskade utsläpp av flyktiga organiska föreningar (VOC) och höga lösningsmedelspriser stimulerar tillväxten inom teknik för vattenburna hartsbeläggningar. Användning av ultraljudsbehandling kan förbättra prestandan hos sådana miljövänliga system.

Förbättrad formulering av beläggningar genom ultraljudsbehandling

Ultraljud kan hjälpa dem som formulerar byggnads-, industri-, fordons- och träbeläggningar att förbättra beläggningarnas egenskaper, såsom färgstyrka, rep-, sprick- och UV-beständighet eller elektrisk ledningsförmåga. Vissa av dessa beläggningsegenskaper uppnås genom tillsats av material i nanostorlek, t.ex. metalloxider (TiO₂, kiseldioxid, ceriumoxid, ZnO, …).

Ultraljud hjälper även till med avskumning (inneslutna bubblor) och avgasning (löst gas) av högviskösa produkter. Läs mer om avluftning och avgasning av vätskor med ultraljud!

Eftersom ultraljudsdispergering kan användas i laboratorieskala, med bänkutrustning och i industriell produktion, med en genomströmning på över 10 ton/timme, används tekniken både inom forskning och utveckling och i kommersiell produktion. Processresultaten kan skalas upp enkelt och linjärt.

Hielschers ultraljudsapparater är mycket energieffektiva. Apparaterna omvandlar cirka 80 till 90% av den tillförda elektriska effekten till mekanisk aktivitet i vätskan. Detta leder till avsevärt lägre bearbetningskostnader.

Via länkarna nedan kan du läsa mer om användningen av högpresterande ultraljud för

• emulgering av polymerer i vattenbaserade system,
• dispergering och finmalning av pigment,
• och storleksreduktion av nanomaterial.

Emulsionspolymerisation med ultraljudsbehandling

Traditionella beläggningsformuleringar använder grundläggande polymerkemi. Övergången till vattenbaserad beläggningsteknik påverkar råvaruval, 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.

Ultraljudsbehandling kan användas på två sätt för att framställa polymeremulsioner.

• Uppifrån och ned: Emulgering/dispergering av större polymerpartiklar för att framställa mindre partiklar genom storleksreduktion
• Nedifrån och upp: Användning av ultraljud före eller under partikelpolymerisation

 

I den här videon visar vi ett ultraljudssystem på 2 kilowatt för kontinuerlig drift i ett genomspolbart skåp. Hielscher levererar ultraljudsutrustning till nästan alla branscher, såsom kemi-, läkemedels- och kosmetikaindustrin, samt för petrokemiska processer och lösningsmedelsbaserade extraktionsprocesser. Detta genomspolbara skåp i rostfritt stål är konstruerat för drift i explosionsfarliga områden. Kunden kan därför genomspola det tätade skåpet med kvävgas eller friskluft för att förhindra att brandfarliga gaser eller ångor tränger in i skåpet.

 

Nanopartikulära polymerer i miniemulsioner

Polymerisation av partiklar i miniemulsioner möjliggör tillverkning av dispergerade polymerpartiklar med god kontroll över partikelstorleken. Syntes av polymerpartiklar i nanostorlek i miniemulsioner (även kallade nanoreaktorer), så som den presenteras av K. Landfester (2001), är en utmärkt metod för att bilda polymera nanopartiklar. Denna metod använder det stora antalet små nanoutrymmen (dispers fas) i en emulsion som nanoreaktorer. I dessa syntetiseras partiklarna i hög grad parallellt i de enskilda, avgränsade dropparna. I sin artikel presenterar Landfester (2001) polymerisation i nanoreaktorer med mycket hög precision för att framställa mycket likartade partiklar av nästan enhetlig storlek. Bilden ovan visar partiklar som erhållits genom ultraljudsassisterad polyaddition i miniemulsioner.

Små droppar som genereras genom kraftig skjuvning (ultraljudsbehandling) och stabiliseras med stabiliseringsmedel (emulgeringsmedel) kan härdas genom efterföljande polymerisation eller, för material med låg smältpunkt, genom temperatursänkning. Eftersom ultraljudsbehandling kan producera mycket små droppar av nästan enhetlig storlek vid satsvis bearbetning och i produktionsprocesser möjliggör den god kontroll över den slutliga partikelstorleken. Vid polymerisation av nanopartiklar kan hydrofila monomerer emulgeras i en organisk fas och hydrofoba monomerer i vatten.

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

Pigment i beläggningar

Organiska och oorganiska pigment är en viktig komponent i beläggningsformuleringar. För att maximera pigmentens prestanda krävs god kontroll över partikelstorleken. När pigmentpulver tillsätts i vattenburna, lösningsmedelsburna eller epoxibaserade system tenderar de enskilda pigmentpartiklarna att bilda stora agglomerat. Mekanismer med kraftig skjuvning, såsom rotor-statorblandare eller omrörarkulkvarnar, används traditionellt för att bryta sönder sådana agglomerat och finmala de enskilda pigmentpartiklarna. Ultraljudsbehandling är ett extremt effektivt alternativ för detta steg i tillverkningen av beläggningar.

Diagrammen nedan visar hur ultraljudsbehandling påverkar storleken hos ett pärlemorglanspigment. Ultraljudet mal de enskilda pigmentpartiklarna genom kollisioner mellan partiklar med hög hastighet. Den framträdande fördelen med ultraljudsbehandling är den kraftiga effekten av kavitationsorsakade skjuvkrafter, som gör användningen av malmedier (t.ex. kulor och pärlor) överflödig. När partiklarna accelereras av extremt snabba vätskestrålar på upp till 1000km/hr kolliderar de våldsamt och splittras i små bitar. Partikelabrasion ger de ultraljudsmalda partiklarna en slät yta. Sammantaget resulterar ultraljudsmalning och dispergering i en jämn fördelning av fina partiklar.

 

Ultraljudsmalning och ultraljudsdispergering överträffar ofta höghastighetsblandare och kvarnar med malmedier, eftersom ultraljudsbehandling ger en mer enhetlig bearbetning av alla partiklar. Generellt ger ultraljudsbehandling mindre partikelstorlekar och en snäv partikelstorleksfördelning (pigmentmalningskurvor). Detta förbättrar pigmentdispersionernas övergripande kvalitet, eftersom större partiklar vanligtvis försämrar bearbetbarhet, glans, beständighet och optiskt utseende.

Eftersom partikelmalningen baseras på kollisioner mellan partiklar till följd av ultraljudskavitation kan ultraljudsreaktorer hantera relativt höga koncentrationer av fasta ämnen (t.ex. masterbatcher) och ändå åstadkomma god storleksreduktion. Tabellen nedan visar bilder av våtmalning av TiO2.

Diagrammet nedan visar partikelstorleksfördelningskurvorna för deagglomerering av Degussas titandioxid i anatasform genom ultraljudsbehandling. Kurvans snäva form efter ultraljudsbehandlingen är ett typiskt kännetecken för ultraljudsbearbetning.

Material i nanostorlek i högpresterande beläggningar

Nanoteknik är en framväxande teknik som får genomslag inom många branscher. Nanomaterial och nanokompositer används i beläggningsformuleringar, t.ex. för att förbättra nötnings- och reptålighet eller UV-stabilitet. Den största utmaningen vid användning i beläggningar är att bibehålla transparens, klarhet och glans. Därför måste nanopartiklarna vara mycket små för att undvika att påverka ljusets synliga spektrum. För många tillämpningar innebär detta storlekar betydligt under 100nm.

Våtmalning av högpresterande komponenter till nanometerområdet blir ett avgörande steg vid formuleringen av nanotekniskt utformade beläggningar. Alla partiklar som påverkar det synliga ljuset orsakar disighet och minskad transparens. Därför krävs mycket snäva storleksfördelningar. Ultraljudsbehandling är en mycket effektiv metod för finmalning av fasta ämnen. Ultraljudskavitation / akustisk kavitation i vätskor orsakar kollisioner mellan partiklar med hög hastighet. Till skillnad från konventionella pärlkvarnar och stenkvarnar sönderdelar partiklarna varandra, vilket gör malmedier överflödiga.

Företag som Panadur (Tyskland) använder Hielschers ultraljudsapparater för dispergering och deagglomerering av nanomaterial i formbeläggningar. Klicka här för att läsa mer om ultraljudsdispergering av formbeläggningar!

För ultraljudsbehandling av brandfarliga vätskor eller lösningsmedel i explosionsfarliga miljöer finns ATEX-certifierade processorer tillgängliga. Läs mer om den ATEX-certifierade ultraljudsapparaten UIP1000-Exd!