Ultraljud för dispergering och malning: färg och pigment

Högeffektsultraljud är välkänt för sina intensiva och exakt reglerbara malnings- och dispergeringseffekter. Detta gör ultraljudshomogenisatorer idealiska för framställning av pigmentpastor och färgformuleringar. Industriella ultraljudsapparater ger en mycket jämn partikelstorleksfördelning i mikro- och nanometerområdet. Bearbeta stora volymströmmar med hög viskositet med Hielscher ultraljudsapparater för att uppnå homogen vätning, dispergering, deagglomerering och malning!

Färgtillverkning med ultraljud

Förbättra dina målarfärger, kulörer och beläggningar med ultraljudsbehandling:

• Formulering: Oavsett om det gäller hög viskositet, hög partikelhalt eller vatten- eller lösningsmedelsbaserade system – med Hielschers industriella inline-ultraljudsapparater kan du bearbeta alla formuleringar.
• Mikro- och nanometerstorlek: De höga skjuvkrafter som genereras av akustisk kavitation reducerar partiklar till mycket små partikeldiametrar och ger en jämn dispersion. Genom att anpassa ultraljudsbehandlingens parametrar till kraven på dina partiklar och formuleringar möjliggörs tillförlitlig framställning av pigment i nanometerstorlek.
• Optiska egenskaper: För att uppnå rätt optiska egenskaper måste pigmentens partikelstorlek kontrolleras. Vanligtvis korrelerar opaciteten med partikelstorleken: ju finare partikelstorlek, desto högre opacitet. Till exempel bearbetas TiO2 specifikt till en partikelstorlek på 0,20 till 0,3 mikrometer, vilket ungefär motsvarar hälften av ljusets våglängd. Ultraljudsbehandling reducerar TiO2-pigmenten till deras optimala storlek så att maximal täckförmåga uppnås.
• Högpresterande partiklar: Mindre partikelstorlekar ger högre färgmättnad, jämnare kulör och bättre stabilitet. De intensiva men exakt reglerbara ultraljudskrafterna möjliggör framställning av modifierade och funktionaliserade nanopartiklar, såsom belagda partiklar, SWNTs, MWCNTs och kärna–skal-partiklar. Sådana partiklar uppvisar unika egenskaper och lyfter färg- eller beläggningsformuleringar till en ny nivå av kvalitet och funktionalitet (t.ex. UV-beständighet, reptålighet, hållfasthet, vidhäftningsförmåga, hög värmebeständighet samt reflektionsförmåga för infraröd strålning och solstrålning).
• Modifierade partiklar: Ytmodifierade pigment har mycket låg viskositet vid höga pigmenthalter (2,5cP vid 10% fastämneshalt), överlägsen suspensionsstabilitet och hög renhet. Ultraljudsassisterad partikelfunktionalisering gör det enkelt att syntetisera högpresterande pigment med speciella egenskaper.

Pigmentpastor som mals och dispergeras med ultraljudskavitation och höga skjuvkrafter uppvisar en betydande storleksminskning och en jämn fördelning. Diagrammet ovan visar hur storleksminskningen ökar med ökande ultraljudsenergi.

Vid framställning av färg måste komponenter såsom pigment, bindemedel/ filmbildare, spädmedel/ lösningsmedel, hartser, fyllmedel och tillsatser blandas till en homogen formulering. Pigment är den avgörande komponent som ger färgen dess kulör. Det viktigaste vita pigmentet är TiO2, som måste malas till en optimal partikelstorlek på mellan 0,2 och 0,3 mikrometer i diameter för att uppvisa önskad grad av vithet, ljushet och opacitet samt ett mycket högt brytningsindex. Ultraljudets skjuvkrafter ger en mycket effektiv och energieffektiv deagglomerering och dispergering av TiO2-partiklar (se bilden nedan).

TEM-bilder av ultraljudsdispergerade suspensioner av TiO2-nanopartiklar med olika fastämneshalter. Ultraljudsbehandlingen utfördes med ultraljudsapparaten UIP1000hdT
Vänster: tillförd ultraljudsenergi 1,8 × 10⁵ J/L – Höger: tillförd ultraljudsenergi 5,4 × 10⁵ J/L
(Studie och bilder: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ultraljudsmalning och ultraljudsdispergering höjer färgens kvalitet genom att förbättra dess färgstyrka, densitet, malningsfinhet, dispersion och reologi.

Förhållanden vid ultraljudsdispergering och ultraljudsmalning

Kvaliteten på färger och beläggningar beror på pigmentens homogena fördelning. Hielscher Ultrasonics tillhandahåller effektiv malnings- och finmalningsutrustning för färgdispergering, särskilt för formuleringar med höga pigmenthalter. Ultraljudsdispergerarnas verkningssätt vid malning, finmalning, deagglomerering och dispergering bygger huvudsakligen på den skjuvverkan som genereras av ultraljudskavitation. De kavitationsrelaterade skjuvkrafter som krävs för att separera partiklarna alstras av stora tryckskillnader, lokala heta zoner och vätskestrålar, vilket leder till att partiklarna sönderdelas genom kollisioner mellan partiklar.
Industriella ultraljudsdispergerare såsom UIP16000hdT med 16 000 watt per ultraljudssond har kapacitet att bearbeta stora volymströmmar av färger och beläggningar.

Ultraljudsbehandlad kritfärg på grindometern visar pigmentens fullständigt jämna deagglomerering och partikelstorleksfördelning

Dispergering av nanopartiklar

Ultraljudsmalning och ultraljudsdispergering är ofta den enda metoden för att effektivt bearbeta nanopartiklar så att individuellt dispergerade primärpartiklar erhålls. En liten primärpartikelstorlek ger en stor ytarea och korrelerar med att unika partikelegenskaper och funktionaliteter framträder. Samtidigt är en mindre partikelstorlek förknippad med hög ytenergi som ger kraftigare aggregering och högre reaktivitet, vilket gör att de intensiva dispergeringskrafterna från ultraljud krävs för att dispergera nanopartiklarna homogent i formuleringen.
Dessutom kan en ytbehandling med ultraljud modifiera nanopartiklarna, vilket leder till förbättrad dispergerbarhet, dispersionsstabilitet, hydrofobicitet och andra egenskaper.
Forskare har rekommenderat ultraljudsdispergering som förstahandsval för nanopartiklar, ”eftersom materialet som dispergeras med ultraljudsmetoden är mycket renare än det som framställs genom pärlmalning.” [Kim et al. 2010].

Ultraljudsdispergering har många fördelar jämfört med traditionella malningstekniker såsom trevalskvarnar, kulkvarnar eller kvarnar med malmedier.

Läs mer om ultraljudshomogenisering och dispergering av pigment och färgämnen för masterbatcher och färgformuleringar!

Litteratur / Referenser

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.