Högpresterande limformuleringar – förbättrade genom ultraljudsdispergering

Högpresterande lim består av epoxi-, silikon-, polyuretan-, polysulfid- eller akrylsystem som innehåller olika (nano-)fyllmedel och tillsatser som ger limmet särskilda egenskaper såsom hög fogstyrka, låg vikt, beständighet, värmetålighet och hållbarhet. Effektiv och tillförlitlig blandning krävs för att formulera högpresterande lim. Ultraljudsdispergering och emulgering används för att blanda olika komponenter jämnt till homogena limblandningar. Ultraljudsbehandling i linje blandar även högviskösa material och höga halter av nanofyllmedel tillförlitligt och effektivt och ger lim med överlägsna egenskaper.

Höga skjuvkrafter från ultraljud för dispergering av högpresterande lim

Högpresterande lim erbjuder enastående fogstyrka, beständighet och låg vikt. Beroende på den slutliga tillämpningen formuleras polymerer, sampolymerer och flera tillsatser enligt omsorgsfullt utarbetade recept.

Epoxi-, silikon-, polyuretan- och akrylsystem för lim och klister framställs av formulerare som modifierar limbasen genom att tillsätta klibbighetshöjande medel, mineraliska fyllmedel (talk, kiseldioxid, aluminiumoxid osv.), flexibiliseringsmedel, viskositetssänkande medel, färgämnen, förtjockningsmedel, acceleratorer, vidhäftningsfrämjande medel osv. Dessa modifieringar har flera syften, såsom att förbättra prestandan och/eller underlätta bearbetningen eller att minska kostnaderna. Ultraljudsdispergerare med höga skjuvkrafter är idealiska för att formulera olika epoxisystem i linje och möjliggör flexibel produktion av lim som är anpassade till kraven för specifika tillämpningar.

Ultraljudsblandare med höga skjuvkrafter för krävande dispergerings- och emulgeringstillämpningar

Högpresterande ultraljudsprocessorer fungerar som blandare med höga skjuvkrafter. De extremt höga skjuvkrafterna genereras genom ultraljudskavitation / akustisk kavitation och är idealiska för emulgering, dispergering, malning, deagglomerering och homogenisering, både satsvis och i linje. Material med låga till höga halter av fasta ämnen och låg till hög viskositet kan enkelt bearbetas med ultraljudsdispergerare för drift i linje.

Blandning av nanomaterial i lim med höga skjuvkrafter från ultraljud

Nanomaterial såsom kolnanorör (CNT), metalliska nanopartiklar, nanokiseldioxid, nanoleror, nanofibrer och många andra partiklar i nanostorlek används för att framställa nanoförstärkta polymerer (nanokompositer). Nanopartiklar är välkända för sin förmåga att förändra mekaniska egenskaper (t.ex. styvhet och elasticitet), elektriska egenskaper (t.ex. ledningsförmåga), funktionella egenskaper (t.ex. permeabilitet, glasomvandlingstemperatur och modul) samt brottegenskaperna hos lim baserade på härdplastpolymerer. Nanomaterial ger inte bara särskilda högpresterande egenskaper såsom fogstyrka, beständighet, ledningsförmåga, elasticitet eller värmetålighet; tillsats av nanostrukturerade partiklar kan även förbättra polymerernas barriäregenskaper.
De höga skjuvkrafterna från akustisk kavitation som genereras med ultraljud är välkända för sin förmåga att deagglomerera och dispergera nanopartiklar och till och med sönderdela primärpartiklar (dvs. ultraljudsmalning). När dessa ultraljudskrafter tillämpas på polymersystem som innehåller nanopartiklar och andra fyllmedel erhålls en mycket enhetlig formulering. Ultraljudsdispergering är en energieffektiv metod med lägre energiförbrukning jämfört med konventionella metoder för skjuvblandning, såsom bladblandare med höga skjuvkrafter, impellerblandare eller kvarnar.

Videon visar blandning och dispergering av grafit i 250mL epoxiharts (Toolcraft L) med en ultraljudshomogenisator (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics tillverkar utrustning för att dispergera grafit, grafen, kolnanorör, nanotrådar eller fyllmedel i laboratoriet eller i produktionsprocesser med stora volymer. Typiska tillämpningar är dispergering av nano- och mikromaterial under funktionaliseringsprocessen eller i hartser och polymerer.

Kaboori et al. (2013) visade att ultraljudsbehandling är en effektiv metod för att dispergera skiktade strukturer av montmorillonit (MMT) och utveckla MMT-förstärkta PVA-lim. Ultraljudsbehandling visade sig vara tillförlitlig och effektiv för att dispergera nanolera i PVA vid låga (1% och 2%) och höga (4%) tillsatshalter.
Forskargruppen fann att ”ultraljudstekniken är mycket effektiv för att dispergera nanolera, särskilt vid höga tillsatshalter, till skillnad från höghastighetsblandaren med hög skjuvning. Höghastighetsblandning kunde dispergera nanolera i PVA endast vid låga tillsatshalter och ökade PVA-limmets bindningsstyrka under olika förhållanden. Höghastighetsblandning har vissa nackdelar: möjliga skador på PVA-emulsionen (på grund av den starka skjuvkraft som används under blandningen), höga kostnader och hög energiförbrukning. Däremot har ultraljudstekniken minimal negativ inverkan på PVA-emulsionen. Dessutom är ultraljudstekniken ekonomisk eftersom ultraljudsblandningen skulle kunna ske före framställningen av PVA och lösningen som innehåller nanolera kan tillsättas till PVA under produktionsprocessen. Med beaktande av resultaten från denna artikel och vårt tidigare arbete samt ultraljudsteknikens fördelar jämfört med höghastighetsblandning verkar tillsats av nanolera till PVA i industriell skala vara genomförbar och kan rekommenderas till tillverkare av trälim.” (Kaboori et al., 2013)

Ultraljudets avgasningseffekter vid limproduktion

En ytterligare fördel med ultraljudsbehandling, som avsevärt förbättrar formuleringsresultaten, är ultraljudsbehandlingens avgasningseffekt. Mekanisk omrörning med hög hastighet (t.ex. bladblandare med hög skjuvning) ger upphov till ett stort antal gasbubblor i blandningen, vilket i vissa fall till och med kan märkas genom att blandningen får en ljusare färg. Ultraljudsblandning med hög skjuvning har den stora fördelen att ultraljudstekniken inte tillför gaser till limformuleringen. I stället tvingar ultraljudsvågorna redan befintliga gasbubblor att förenas och stiga till vätskeytan, där gasen lätt kan avlägsnas. Därigenom främjar ultraljudsbehandling avgasning och avluftning av vätskor och limformuleringar. (jfr Shadlou et al., 2014)

Högpresterande ultraljudsdispergerare för industriella limformuleringar

Hielscher Ultrasonics utvecklar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudsdispergerare för krävande tillämpningar såsom tillverkning av högpresterande lim, hartser med hög fyllmedelshalt och nanokompositer. Hielschers ultraljudsapparater används över hela världen för att dispergera nanomaterial i polymerer, hartser, beläggningar och andra högpresterande material.
Hielschers ultraljudsdispergerare kan matas via flera olika tillförselflöden som tillför olika material till den kavitationsbaserade blandningszonen under kontrollerade flödesförhållanden. Ultraljudsdispergerare bearbetar tillförlitligt och effektivt material med låga till höga viskositeter. Ultraljudsintensiteten kan justeras exakt utifrån råmaterialen och målet för partikelstorleksminskningen.
För att bearbeta viskösa polymerpastor, nanomaterial och höga koncentrationer av fasta ämnen måste ultraljudsdispergeraren kunna generera höga amplituder kontinuerligt. Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder vid kontinuerlig drift under full belastning. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt användas vid drift dygnet runt, sju dagar i veckan. Möjligheten att köra en ultraljudsdispergerare vid höga amplituder och att justera amplituden exakt är nödvändig för att anpassa ultraljudsprocessens förhållanden till formuleringen av högpresterande lim, nanoförstärkta polymerblandningar och nanokompositer.
Förutom ultraljudsamplituden är trycket en annan mycket viktig processparameter. Vid förhöjt tryck ökar intensiteten hos ultraljudskavitationen och dess skjuvkrafter. Hielschers ultraljudsreaktorer kan trycksättas, vilket ger förstärkta resultat av ultraljudsbehandlingen.
Processövervakning och dataregistrering är viktiga för fortlöpande processstandardisering och produktkvalitet. Anslutningsbara tryck- och temperatursensorer kopplas till ultraljudsgeneratorn för övervakning och styrning av ultraljudsdispergeringsprocessen. Alla viktiga processparametrar, såsom ultraljudsenergi (netto + totalt), temperatur, tryck och tid, protokollförs automatiskt och lagras på ett inbyggt SD-kort. Genom att öppna de automatiskt registrerade processuppgifterna kan du granska tidigare ultraljudskörningar och utvärdera processresultaten.
En annan användarvänlig funktion är fjärrstyrningen av våra digitala ultraljudssystem via webbläsare. Med fjärrstyrning via webbläsare kan du starta, stoppa, justera och övervaka din ultraljudsprocessor på distans, var du än befinner dig.
Kontakta oss nu för att få veta mer om våra högpresterande ultraljudsdispergerare och deras tillämpningar vid tillverkning av högpresterande lim och beläggningar!
Tabellen nedan ger dig en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

---

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.