อัลตราซาวนด์ในการพัฒนาสูตรสารเคลือบ

ส่วนประกอบต่าง ๆ เช่น เม็ดสี สารตัวเติม สารเติมแต่งทางเคมี สารเชื่อมขวาง และสารปรับสมบัติการไหล ใช้ในสูตรสารเคลือบและสี อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสำหรับการกระจายตัว การทำอิมัลชัน การสลายกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกัน และการบดส่วนประกอบเหล่านี้ในสารเคลือบ

อัลตราซาวนด์ใช้ในการพัฒนาสูตรสารเคลือบเพื่อ:

• การทำอิมัลชันของพอลิเมอร์ในระบบที่มีน้ำเป็นตัวกลาง
• การกระจายตัวและการบดละเอียดของเม็ดสี
• การลดขนาดวัสดุนาโนในสารเคลือบสมรรถนะสูง

สารเคลือบแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ เรซินและสารเคลือบชนิดใช้น้ำเป็นตัวกลาง และชนิดใช้ตัวทำละลายเป็นตัวกลาง แต่ละประเภทมีความท้าทายเฉพาะตัว แนวทางที่เรียกร้องให้ลดสารอินทรีย์ระเหยง่าย (VOC) และราคาตัวทำละลายที่สูงกระตุ้นการเติบโตของเทคโนโลยีสารเคลือบเรซินชนิดใช้น้ำเป็นตัวกลาง การใช้อัลตราซาวนด์สามารถเพิ่มสมรรถนะของระบบที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเหล่านี้ได้

การปรับปรุงสูตรสารเคลือบด้วยอัลตราซาวนด์

อัลตราซาวนด์สามารถช่วยผู้พัฒนาสูตรสารเคลือบสำหรับงานสถาปัตยกรรม อุตสาหกรรม ยานยนต์ และไม้ ให้ปรับปรุงคุณลักษณะของสารเคลือบ เช่น ความเข้มของสี ความทนทานต่อรอยขีดข่วน การแตกร้าว และรังสี UV หรือการนำไฟฟ้า คุณลักษณะบางประการของสารเคลือบเหล่านี้เกิดขึ้นได้จากการเติมวัสดุขนาดนาโน เช่น ออกไซด์ของโลหะ (TiO₂, ซิลิกา ซีเรีย ZnO, …)

อัลตราซาวนด์ยังช่วยกำจัดฟอง (ฟองที่กักอยู่ในผลิตภัณฑ์) และกำจัดก๊าซ (ก๊าซที่ละลายอยู่) ในผลิตภัณฑ์ที่มีความหนืดสูงได้ด้วย อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการกำจัดอากาศและก๊าซออกจากของเหลวด้วยอัลตราซาวนด์!

เนื่องจากเทคโนโลยีการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์สามารถใช้ได้ทั้งในระดับห้องปฏิบัติการ ระดับเครื่องตั้งโต๊ะ และระดับการผลิตในอุตสาหกรรม โดยรองรับอัตราปริมาณการผลิตมากกว่า 10 ตัน/ชั่วโมง จึงมีการนำไปใช้ทั้งในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนา (R&D) และการผลิตเชิงพาณิชย์ ผลลัพธ์ของกระบวนการสามารถขยายสู่ระดับการผลิตที่ใหญ่ขึ้นได้อย่างง่ายดายและเป็นเชิงเส้น

อุปกรณ์อัลตราซาวนด์ของ Hielscher มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงมาก อุปกรณ์เหล่านี้เปลี่ยนกำลังไฟฟ้าที่ป้อนเข้าประมาณ 80 ถึง 90% ให้เป็นการกระทำเชิงกลในของเหลว ส่งผลให้ต้นทุนการแปรรูปลดลงอย่างมาก

จากลิงก์ด้านล่าง คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการใช้อัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงสำหรับ

• การทำอิมัลชันของพอลิเมอร์ในระบบที่มีน้ำเป็นตัวกลาง,
• การกระจายตัวและการบดละเอียดของเม็ดสี,
• และ การลดขนาดวัสดุนาโน.

การเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชันโดยใช้อัลตราซาวนด์

สูตรสารเคลือบแบบดั้งเดิมใช้หลักเคมีพอลิเมอร์พื้นฐาน การเปลี่ยนมาใช้เทคโนโลยีสารเคลือบชนิดใช้น้ำเป็นตัวกลางส่งผลต่อการเลือกวัตถุดิบ สมบัติ และวิธีการพัฒนาสูตร

ในการเกิดพอลิเมอร์แบบอิมัลชันทั่วไป เช่น สำหรับสารเคลือบชนิดใช้น้ำเป็นตัวกลาง อนุภาคจะก่อตัวจากศูนย์กลางออกไปสู่ผิว ปัจจัยทางจลนพลศาสตร์มีอิทธิพลต่อความเป็นเนื้อเดียวกันและสัณฐานวิทยาของอนุภาค

การแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์สามารถใช้สร้างอิมัลชันพอลิเมอร์ได้สองวิธี

• จากบนลงล่าง: การทำอิมัลชัน/การกระจายตัว ของอนุภาคพอลิเมอร์ขนาดใหญ่เพื่อสร้างอนุภาคขนาดเล็กลงด้วยการลดขนาด
• จากล่างขึ้นบน: การใช้อัลตราซาวนด์ก่อนหรือระหว่างการเกิดพอลิเมอร์ของอนุภาค

 

ในวิดีโอนี้ เราจะแสดงระบบอัลตราโซนิกขนาด 2 กิโลวัตต์สำหรับการทำงานแบบอินไลน์ภายในตู้ที่สามารถอัดก๊าซไล่อากาศได้ Hielscher จัดหาอุปกรณ์อัลตราโซนิกให้กับอุตสาหกรรมเกือบทุกประเภท เช่น อุตสาหกรรมเคมี เภสัชกรรม เครื่องสำอาง กระบวนการปิโตรเคมี รวมถึงกระบวนการสกัดด้วยตัวทำละลาย ตู้สเตนเลสที่สามารถอัดก๊าซไล่อากาศได้นี้ออกแบบมาสำหรับการใช้งานในพื้นที่อันตราย เพื่อการนี้ ลูกค้าสามารถอัดไนโตรเจนหรืออากาศสะอาดเข้าไปในตู้ที่ปิดผนึก เพื่อป้องกันไม่ให้ก๊าซหรือไอระเหยไวไฟเข้าสู่ตู้

 

พอลิเมอร์ในรูปอนุภาคนาโนในมินิอิมัลชัน

การเกิดพอลิเมอร์ของอนุภาคในมินิอิมัลชันช่วยให้ผลิตอนุภาคพอลิเมอร์ที่กระจายตัวอยู่ได้โดยควบคุมขนาดอนุภาคได้ดี การสังเคราะห์อนุภาคพอลิเมอร์ขนาดนาโนในมินิอิมัลชัน (หรือที่เรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์นาโน) ตามที่ K. Landfester (2001) นำเสนอ เป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมสำหรับการสร้างอนุภาคนาโนพอลิเมอร์ แนวทางนี้ใช้ช่องขนาดนาโนขนาดเล็กจำนวนมาก (เฟสกระจายตัว) ในอิมัลชันเป็นเครื่องปฏิกรณ์นาโน ภายในช่องเหล่านี้ อนุภาคจะถูกสังเคราะห์พร้อมกันแบบขนานจำนวนมากในหยดแต่ละหยดที่มีขอบเขตจำกัด ในบทความของเธอ Landfester (2001) นำเสนอการเกิดพอลิเมอร์ในเครื่องปฏิกรณ์นาโนที่มีความสมบูรณ์แบบสูง เพื่อสร้างอนุภาคที่มีลักษณะเหมือนกันอย่างมากและมีขนาดเกือบสม่ำเสมอ ภาพด้านบนแสดงอนุภาคที่ได้จากการเกิดพอลิเมอร์แบบเติมในมินิอิมัลชันโดยมีอัลตราซาวนด์ช่วย

หยดขนาดเล็กที่เกิดจากการใช้แรงเฉือนสูง (การใช้อัลตราซาวนด์) และทำให้คงตัวด้วยสารทำให้คงตัว (สารทำอิมัลชัน) สามารถทำให้แข็งได้ด้วยการเกิดพอลิเมอร์ในขั้นตอนถัดไป หรือด้วยการลดอุณหภูมิในกรณีของวัสดุที่หลอมเหลวที่อุณหภูมิต่ำ เนื่องจากอัลตราซาวนด์สามารถสร้างหยดขนาดเล็กมากที่มีขนาดเกือบสม่ำเสมอได้ทั้งในกระบวนการแบบแบตช์และกระบวนการผลิต จึงช่วยให้ควบคุมขนาดอนุภาคสุดท้ายได้ดี สำหรับการเกิดพอลิเมอร์ของอนุภาคนาโน สามารถทำให้มอนอเมอร์ที่ชอบน้ำเกิดอิมัลชันในเฟสอินทรีย์ และทำให้มอนอเมอร์ที่ไม่ชอบน้ำเกิดอิมัลชันในน้ำได้

เมื่อลดขนาดอนุภาค พื้นที่ผิวรวมของอนุภาคจะเพิ่มขึ้นในเวลาเดียวกัน ภาพทางซ้ายแสดงความสัมพันธ์ระหว่างขนาดอนุภาคกับพื้นที่ผิวในกรณีของอนุภาคทรงกลม ดังนั้น ปริมาณสารลดแรงตึงผิวที่ต้องใช้เพื่อทำให้อิมัลชันคงตัวจึงเพิ่มขึ้นเกือบเป็นเชิงเส้นตามพื้นที่ผิวรวมของอนุภาค ชนิดและปริมาณของสารลดแรงตึงผิวมีอิทธิพลต่อขนาดหยด สามารถได้หยดขนาด 30 ถึง 200nm โดยใช้สารลดแรงตึงผิวชนิดประจุลบหรือชนิดประจุบวก

เม็ดสีในสารเคลือบ

เม็ดสีอินทรีย์และอนินทรีย์เป็นส่วนประกอบสำคัญของสูตรสารเคลือบ เพื่อให้เม็ดสีมีสมรรถนะสูงสุด จำเป็นต้องควบคุมขนาดอนุภาคได้ดี เมื่อเติมผงเม็ดสีลงในระบบที่ใช้น้ำเป็นตัวกลาง ระบบที่ใช้ตัวทำละลายเป็นตัวกลาง หรือระบบอีพ็อกซี อนุภาคเม็ดสีแต่ละอนุภาคมีแนวโน้มที่จะเกาะรวมกันเป็นกลุ่มขนาดใหญ่ โดยทั่วไปจะใช้กลไกแรงเฉือนสูง เช่น เครื่องผสมแบบโรเตอร์–สเตเตอร์ หรือเครื่องบดเม็ดบีดแบบกวน เพื่อสลายกลุ่มอนุภาคเหล่านี้และบดอนุภาคเม็ดสีแต่ละอนุภาคให้เล็กลง การใช้อัลตราซาวนด์เป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งสำหรับขั้นตอนนี้ในการผลิตสารเคลือบ

กราฟด้านล่างแสดงผลของการใช้อัลตราซาวนด์ต่อขนาดของเม็ดสีประกายมุก อัลตราซาวนด์บดอนุภาคเม็ดสีแต่ละอนุภาคด้วยการชนกันระหว่างอนุภาคด้วยความเร็วสูง ข้อได้เปรียบที่โดดเด่นของการใช้อัลตราซาวนด์คือผลกระทบสูงจากแรงเฉือนที่เกิดจากคาวิเทชัน ซึ่งทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกลางบด (เช่น เม็ดบีด เม็ดมุก) เมื่ออนุภาคถูกเร่งด้วยลำของเหลวที่มีความเร็วสูงอย่างยิ่งถึง 1000km/hr อนุภาคจะชนกันอย่างรุนแรงและแตกเป็นชิ้นเล็ก ๆ การขัดสีของอนุภาคทำให้อนุภาคที่บดด้วยอัลตราซาวนด์มีผิวเรียบ โดยรวมแล้ว การบดและการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์ทำให้ได้อนุภาคขนาดละเอียดที่มีการกระจายขนาดสม่ำเสมอ

 

การบดและการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์มักให้ผลดีกว่าเครื่องผสมความเร็วสูงและเครื่องบดที่ใช้ตัวกลางบด เนื่องจากการใช้อัลตราซาวนด์ทำให้อนุภาคทั้งหมดได้รับการแปรรูปอย่างสม่ำเสมอกว่า โดยทั่วไป การใช้อัลตราซาวนด์ทำให้ได้อนุภาคขนาดเล็กลงและการกระจายขนาดอนุภาคที่แคบ (เส้นโค้งการบดเม็ดสี) สิ่งนี้ช่วยปรับปรุงคุณภาพโดยรวมของระบบกระจายตัวของเม็ดสี เนื่องจากอนุภาคขนาดใหญ่มักส่งผลเสียต่อความสามารถในการแปรรูป ความเงา ความทนทาน และลักษณะที่ปรากฏทางแสง

เนื่องจากการบดอนุภาคอาศัยการชนกันระหว่างอนุภาคที่เกิดจากคาวิเทชันด้วยอัลตราซาวนด์ เครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์จึงสามารถรองรับความเข้มข้นของของแข็งที่ค่อนข้างสูง (เช่น มาสเตอร์แบตช์) และยังคงให้ผลในการลดขนาดที่ดีได้ ตารางด้านล่างแสดงภาพการบดแบบเปียกของ TiO2

กราฟด้านล่างแสดงเส้นโค้งการกระจายขนาดอนุภาคสำหรับการสลายกลุ่มอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ชนิดแอนาเทสของ Degussa ที่เกาะรวมกันด้วยอัลตราซาวนด์ รูปร่างแคบของเส้นโค้งหลังการใช้อัลตราซาวนด์เป็นลักษณะทั่วไปของการแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์

วัสดุขนาดนาโนในสารเคลือบสมรรถนะสูง

นาโนเทคโนโลยีเป็นเทคโนโลยีที่กำลังพัฒนาและเริ่มมีบทบาทในหลายอุตสาหกรรม วัสดุนาโนและนาโนคอมโพสิตถูกนำมาใช้ในสูตรสารเคลือบ เช่น เพื่อเพิ่มความทนทานต่อการสึกกร่อนและรอยขีดข่วน หรือความคงตัวต่อรังสี UV ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดในการนำมาใช้กับสารเคลือบคือการคงความโปร่งใส ความใส และความเงาไว้ ดังนั้น อนุภาคนาโนจึงต้องมีขนาดเล็กมากเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนช่วงสเปกตรัมของแสงที่มองเห็นได้ สำหรับการใช้งานหลายประเภท ขนาดนี้ต่ำกว่า 100nm อย่างมาก

การบดแบบเปียกของส่วนประกอบสมรรถนะสูงให้มีขนาดอยู่ในช่วงนาโนเมตรกลายเป็นขั้นตอนสำคัญในการพัฒนาสูตรสารเคลือบที่ออกแบบทางวิศวกรรมระดับนาโน อนุภาคใดก็ตามที่รบกวนแสงที่มองเห็นได้จะทำให้เกิดความขุ่นมัวและสูญเสียความโปร่งใส ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีการกระจายขนาดที่แคบมาก การใช้อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากสำหรับการบดละเอียดของของแข็ง คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ / คลื่นเสียงในของเหลวทำให้เกิดการชนกันระหว่างอนุภาคด้วยความเร็วสูง ซึ่งแตกต่างจากเครื่องบดเม็ดบีดและเครื่องบดกรวดแบบทั่วไป โดยอนุภาคจะบดกันเองให้เล็กลง ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกลางบด

บริษัทต่าง ๆ เช่น Panadur (เยอรมนี) ใช้เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher สำหรับการกระจายตัวและการสลายกลุ่มอนุภาควัสดุนาโนที่เกาะรวมกันในสารเคลือบในแม่พิมพ์ คลิกที่นี่เพื่ออ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการกระจายตัวของสารเคลือบในแม่พิมพ์ด้วยอัลตราซาวนด์!

มีเครื่องแปรรูปที่ได้รับการรับรอง ATEX สำหรับการใช้อัลตราซาวนด์กับของเหลวหรือตัวทำละลายไวไฟในสภาพแวดล้อมอันตราย เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเครื่องอัลตราซาวนด์ UIP1000-Exd ที่ได้รับการรับรอง ATEX!