Så blandar du lacker med nanofyllmedel

Lacktillverkning kräver kraftfull blandningsutrustning som kan hantera nanopartiklar och pigment, vilka måste dispergeras jämnt i formuleringen. Ultraljudshomogenisatorer är en mycket effektiv och tillförlitlig dispergeringsteknik som ger en homogen fördelning av nanopartiklarna i polymerer.

Lacktillverkning med högpresterande ultraljudsblandare

En lack beskrivs som en klar, transparent och hård skyddande beläggning eller film, som formuleras av hartser (t.ex. akryl, polyuretan, alkyd, schellack), torkande olja, ett metallsickativ och flyktiga lösningsmedel (t.ex. nafta, lacknafta eller förtunning). När lack torkar avdunstar lösningsmedlet som den innehåller, och de återstående beståndsdelarna oxiderar eller polymeriserar och bildar en hållbar transparent film. Lacker används främst som skyddande beläggningar på träytor, målningar och olika dekorativa föremål, medan UV-härdande lacker används inom fordonslackering, kosmetik, livsmedel, vetenskap och andra områden.

Ultraljudsdispergering av nanokiseldioxid i lack

Ett vanligt exempel på ultraljudsdispergering är inblandning av kolloidal kiseldioxid, som vanligtvis tillsätts för att ge lacker tixotropa egenskaper.
Exempelvis uppvisar polyeterimidlack med nanokiseldioxid som fyllmedel en förlängd livslängd som är upp till trettio gånger så lång som för en standardlack. Nanokiseldioxid förbättrar lackens egenskaper, såsom dess elektriska ledningsförmåga, dess dielektriska hållfasthet vid lik- och växelspänning och dess vidhäftningsstyrka. Ultraljudsdispergerare används därför i stor utsträckning för tillverkning av elektriskt ledande beläggningar.
Andra silikatmineral, såsom wollastonit, talk, glimmer, kaolin, fältspat och nefelinsyenit, är billiga fyllmedel och används i stor utsträckning som så kallade fyllnadspigment, vilka tillsätts för att modifiera reologi (viskositet), sedimentationsstabilitet och filmstyrka i beläggningar.

Forskningsbelagd överlägsenhet hos ultraljudsapparater för dispergering av nanofyllmedel

Monteiro et al. (2014) jämförde vanliga dispergeringstekniker – närmare bestämt rotor-statorblandare, Cowles-omrörarhjul och ultraljudsdispergerare av sondtyp – med avseende på deras effektivitet vid dispergering av titandioxid (TiO2, anatas). Ultraljudsbehandling visade sig vara effektivast för att dispergera nanopartiklarna i vatten med konventionell Na-PAA-polyelektrolyt och överträffade avsevärt blandning med rotor-stator eller Cowles-omrörarhjul.
Detaljer om studien: Olika dispergeringstekniker jämfördes för att identifiera den mest effektiva för att framställa en väl deagglomererad vattenbaserad nano-TiO2-suspension. Natriumsaltet av polyakrylsyra (Na-PAA), som konventionellt används inom industrin för vattenbaserade TiO2-dispersioner, användes som referensdispergeringsmedel. Fig. 1 visar de volymbaserade partikelstorleksfördelningar (PSD) som erhölls med en Cowles-dispergerare (30 min vid 2000 rpm), en rotor-statorblandare (30 min vid 14 000 rpm) och ultraljudsbehandling med sond (Hielscher UIP1000hdT, 2 min vid 50% amplitud). ”Vid användning av Cowles-dispergeraren låg partikelstorlekarna inom tre olika intervall: 40–100 nm, 350–1000 nm och 1200–4000 nm. De större agglomeraten dominerar tydligt fördelningen, vilket visar att denna teknik är ineffektiv. Även rotor-statorblandaren gav otillfredsställande resultat, oavsett om nanopartiklarna tillsattes på en gång eller gradvis under blandningstiden. Den största skillnaden som observerades i resultatet för Cowles är kopplad till att den mellersta toppen förskjuts mot större partikelstorlekar och delvis smälter samman med toppen längst till höger. Användning av ultraljud gav däremot ett mycket bättre resultat, med en smal topp centrerad vid 0,1 nm och två mycket mindre toppar i intervallen 150–280 nm och 380–800 nm.”

Partikelstorleksfördelningar för vattenbaserade nano-TiO2-dispersioner (10mgmL−1, pH = 9) framställda med olika dispergeringstekniker. Ultraljudsbehandling ger de minsta TiO2-nanopartiklarna och de snävaste kurvorna för partikelstorleksreduktion. När dispergeringsmedel (Na-PAA) användes var förhållandet till nano-TiO2 1:1.
(studie och grafik: © Monteiro et al., 2014)

Spraytorkad TiO2 före och efter ultraljudsmalning

Detta resultat överensstämmer med arbetet av Sato et al. (2008), som rapporterar bättre resultat med ultraljudsbehandling än med andra tekniker för dispergering av TiO2-partiklar i nanostorlek i vatten. De stötvågor som skapas av akustisk kavitation / ultraljudskavitation leder till mycket intensiva kollisioner mellan partiklar samt effektiv partikelmalning och deagglomerering till enhetliga fragment i nanoskala.
(jfr Monteiro et al., 2014)

Högpresterande ultraljudshomogenisatorer för lackproduktion

När nanopartiklar och nanofyllmedel används i industriella tillverkningsprocesser, såsom produktion av lacker och beläggningar, måste torrt pulver blandas in homogent i en vätskefas. Dispergering av nanopartiklar kräver en tillförlitlig och effektiv blandningsteknik som tillför tillräckligt med energi för att bryta upp agglomerat och därigenom frigöra egenskaperna hos partiklar i nanoskala. Ultraljudsapparater är välkända som kraftfulla och tillförlitliga dispergerare och används därför för att deagglomerera och homogent fördela olika material, såsom kiseldioxid, nanorör, grafen, mineraler och många andra material, i en vätskefas såsom hartser, epoxihartser och pigmentmasterbatcher. Hielscher Ultrasonics konstruerar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudsdispergerare för alla typer av homogeniserings- och deagglomereringstillämpningar.
Vid framställning av nanodispersioner är exakt styrning av ultraljudsbehandlingen och en tillförlitlig ultraljudsbehandling av nanopartikelsuspensionen avgörande för att få högpresterande produkter. Processorerna från Hielscher Ultrasonics ger dig full kontroll över alla viktiga processparametrar, såsom energitillförsel, ultraljudsintensitet, amplitud, tryck, temperatur och uppehållstid. Därmed kan du anpassa parametrarna till optimerade förhållanden, vilket i sin tur leder till nanodispersioner av hög kvalitet, såsom suspensioner av nanokiseldioxid eller nano-TiO2.

För alla volymer / kapaciteter: Hielscher erbjuder ultraljudsapparater och ett brett sortiment av tillbehör. Detta gör det möjligt att konfigurera det idealiska ultraljudssystemet för din tillämpning och produktionskapacitet. Från små provflaskor som innehåller några milliliter till stora flöden på tusentals gallon per timme erbjuder Hielscher en lämplig ultraljudslösning för din process.
Höga viskositeter: Ultraljudssystem för inlinebehandling bearbetar enkelt pastaliknande formuleringar, t.ex. pigmentmasterbatcher, där ett pigment vid hög partikelhalt blandas in jämnt i en blandning av mjukgörare, monomer och polymer.
Robusthet: Våra ultraljudssystem är robusta och tillförlitliga. Alla Hielscher-ultraljudsapparater är byggda för drift 24/7/365 och kräver mycket lite underhåll.
Användarvänlighet: Den genomarbetade programvaran i våra ultraljudsapparater gör det möjligt att förvälja och spara inställningar för enkel och tillförlitlig ultraljudsbehandling. Den intuitiva menyn är lättillgänglig via en digital pekskärm i färg. Fjärrstyrning via webbläsare gör att du kan styra och övervaka via valfri webbläsare. Automatisk dataregistrering sparar processparametrarna för varje ultraljudskörning på ett inbyggt SD-kort.
Utmärkt energieffektivitet: Jämfört med alternativa dispergeringstekniker utmärker sig Hielschers ultraljudsapparater genom enastående energieffektivitet och överlägsna resultat vad gäller partikelstorleksfördelning.
Hög kvalitet och robusthet: Hielschers ultraljudsapparater är kända för sin kvalitet, tillförlitlighet och robusthet. Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och hög användarvänlighet. Självklart är Hielschers ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven enligt UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: