Kaplama Formülasyonunda Ultrason

Pigmentler, dolgu maddeleri, kimyasal katkılar, çapraz bağlayıcılar ve reoloji düzenleyiciler gibi çeşitli bileşenler kaplama ve boya formülasyonlarına katılır. Ultrason, kaplamalardaki bu tür bileşenlerin dispersiyonu, emülsifikasyonu, deaglomerasyonu ve öğütülmesi için etkili bir yöntemdir.

Ultrason, kaplama formülasyonunda aşağıdaki amaçlarla kullanılır:

• sulu sistemlerde polimerlerin emülsifikasyonu
• pigmentlerin disperse edilmesi ve ince öğütülmesi
• yüksek performanslı kaplamalarda nanomalzemelerin boyutunun küçültülmesi

Kaplamalar iki geniş kategoriye ayrılır: su bazlı ve solvent bazlı reçineler ve kaplamalar. Her türün kendine özgü zorlukları vardır. VOC azaltılmasını gerektiren yönergeler ve yüksek solvent fiyatları, su bazlı reçine kaplama teknolojilerinin gelişimini teşvik eder. Ultrasonikasyon kullanımı, bu tür çevre dostu sistemlerin performansını artırabilir.

Ultrasonikasyon ile Geliştirilmiş Kaplama Formülasyonu

Ultrason; mimari, endüstriyel, otomotiv ve ahşap kaplama formülasyonlarını geliştirenlerin renk kuvveti, çizilme, çatlama ve UV direnci veya elektriksel iletkenlik gibi kaplama özelliklerini iyileştirmesine yardımcı olabilir. Bu kaplama özelliklerinin bazıları, nano boyutlu malzemelerin, örneğin metal oksitlerin (TiO₂, silika, seryum oksit, ZnO, …) eklenmesiyle elde edilir.

Ultrason ayrıca yüksek viskoziteli ürünlerde köpük giderimine (hapsolmuş kabarcıklar) ve gaz giderimine (çözünmüş gaz) yardımcı olur. Sıvıların ultrasonik hava ve gaz giderimi hakkında daha fazla bilgi edinin!

Ultrasonik dispersiyon teknolojisi laboratuvar, tezgâh üstü ve endüstriyel üretim ölçeklerinde kullanılabildiği ve 10 ton/saatin üzerinde işleme kapasitesine olanak tanıdığı için Ar-Ge aşamasında ve ticari üretimde uygulanmaktadır. Proses sonuçları kolayca ve doğrusal olarak daha büyük ölçeklere taşınabilir.

Hielscher ultrasonik cihazlarının enerji verimliliği çok yüksektir. Cihazlar, elektriksel giriş gücünün yaklaşık %80 ila 90’ını sıvı içerisinde mekanik etkinliğe dönüştürür. Bu, işleme maliyetlerini önemli ölçüde düşürür.

Aşağıdaki bağlantıları izleyerek yüksek performanslı ultrasonun şu amaçlarla kullanımı hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz:

• sulu sistemlerde polimerlerin emülsifikasyonu,
• pigmentlerin disperse edilmesi ve ince öğütülmesi,
• ve nanomalzemelerin boyutunun küçültülmesi.

Sonikasyon Kullanılarak Emülsiyon Polimerizasyonu

Geleneksel kaplama formülasyonları temel polimer kimyasını kullanır. Su bazlı kaplama teknolojisine geçiş, hammadde seçimini, özelliklerini ve formülasyon yöntemlerini etkiler.

Örneğin su bazlı kaplamalar için kullanılan geleneksel emülsiyon polimerizasyonunda parçacıklar merkezden yüzeylerine doğru oluşur. Kinetik faktörler parçacık homojenliğini ve morfolojisini etkiler.

Polimer emülsiyonları oluşturmak için ultrasonik işleme iki şekilde kullanılabilir.

• Yukarıdan Aşağıya: Daha büyük polimer parçacıklarının emülsifiye edilmesi/disperse edilmesi yoluyla boyutları küçültülerek daha küçük parçacıkların oluşturulması
• Aşağıdan Yukarıya: Parçacık polimerizasyonundan önce veya polimerizasyon sırasında ultrason kullanılması

 

Bu videoda, gazla süpürülebilen bir kabin içinde hat üzerinde çalışmak üzere tasarlanmış 2 kilowattlık bir ultrasonik sistem gösteriyoruz. Hielscher, kimya, ilaç, kozmetik ve petrokimya endüstrileri ile çözücü bazlı ekstraksiyon süreçleri dahil olmak üzere hemen hemen tüm endüstrilere ultrasonik ekipman tedarik etmektedir. Gazla süpürülebilen bu paslanmaz çelik kabin, tehlikeli alanlarda çalışmak üzere tasarlanmıştır. Bu amaçla müşteri, yanıcı gazların veya buharların kabine girmesini önlemek için sızdırmaz kabini azot veya temiz hava ile süpürebilir.

 

Miniemülsiyonlarda Nanoparçacıklı Polimerler

Miniemülsiyonlarda parçacıkların polimerizasyonu, parçacık boyutu üzerinde iyi bir kontrol sağlanarak disperse polimer parçacıklarının üretilmesine olanak tanır. K. Landfester (2001) tarafından sunulan, miniemülsiyonlarda (nanoreaktörler olarak da bilinir) nanoparçacıklı polimer parçacıklarının sentezi, polimerik nanoparçacıkların oluşturulması için mükemmel bir yöntemdir. Bu yaklaşım, bir emülsiyondaki çok sayıdaki küçük nano bölmeyi (disperse faz) nanoreaktör olarak kullanır. Bu bölmelerde parçacıklar, birbirinden ayrı, sınırları belirli damlacıkların içinde yüksek derecede paralel bir biçimde sentezlenir. Landfester (2001), makalesinde neredeyse tekdüze boyutta, birbirleriyle son derece özdeş parçacıkların üretilmesi için nanoreaktörlerde yüksek mükemmellik düzeyinde polimerizasyonu sunar. Yukarıdaki görsel, miniemülsiyonlarda ultrason destekli poliadisyonla elde edilen parçacıkları göstermektedir.

Yüksek kesme (ultrasonikasyon) uygulanarak oluşturulan ve stabilizasyon maddeleri (emülgatörler) ile stabilize edilen küçük damlacıklar, ardından yapılan polimerizasyonla veya düşük sıcaklıkta eriyen malzemeler söz konusu olduğunda sıcaklığın düşürülmesiyle sertleştirilebilir. Ultrasonikasyon, kesikli proseslerde ve üretim proseslerinde neredeyse tekdüze boyutta çok küçük damlacıklar üretebildiği için nihai parçacık boyutu üzerinde iyi bir kontrol sağlar. Nanoparçacıkların polimerizasyonu için hidrofilik monomerler organik bir fazda, hidrofobik monomerler ise suda emülsifiye edilebilir.

Parçacık boyutu küçültülürken toplam parçacık yüzey alanı da aynı anda artar. Soldaki görsel, küresel parçacıklar için parçacık boyutu ile yüzey alanı arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Bu nedenle emülsiyonu stabilize etmek için gereken yüzey aktif madde miktarı, toplam parçacık yüzey alanıyla neredeyse doğrusal olarak artar. Yüzey aktif maddenin türü ve miktarı damlacık boyutunu etkiler. Anyonik veya katyonik yüzey aktif maddeler kullanılarak 30 ila 200nm boyutunda damlacıklar elde edilebilir.

Kaplamalarda Pigmentler

Organik ve inorganik pigmentler, kaplama formülasyonlarının önemli bir bileşenidir. Pigment performansını en üst düzeye çıkarmak için parçacık boyutu üzerinde iyi bir kontrol gerekir. Su bazlı, solvent bazlı veya epoksi sistemlere pigment tozu eklendiğinde, tekil pigment parçacıkları büyük aglomeralar oluşturma eğilimindedir. Bu tür aglomeraları parçalamak ve tekil pigment parçacıklarını öğüterek küçültmek için geleneksel olarak rotor-stator karıştırıcılar veya karıştırıcılı boncuklu değirmenler gibi yüksek kesme sağlayan mekanizmalar kullanılır. Ultrasonikasyon, kaplama üretimindeki bu adım için son derece etkili bir alternatiftir.

Aşağıdaki grafikler, sonikasyonun sedef parlaklığına sahip bir pigmentin boyutu üzerindeki etkisini göstermektedir. Ultrason, tekil pigment parçacıklarını parçacıklar arasındaki yüksek hızlı çarpışmalarla öğütür. Ultrasonikasyonun öne çıkan avantajı, kavitasyon kaynaklı kesme kuvvetlerinin güçlü etkisidir; bu etki, öğütme ortamlarının (örneğin boncuklar, kürecikler) kullanımını gereksiz kılar. Parçacıklar, hızları 1000km/hr’ye kadar ulaşan son derece hızlı sıvı jetleriyle ivmelendirildiğinden şiddetle çarpışır ve küçük parçalara ayrılır. Parçacık aşınması, ultrasonik olarak öğütülen parçacıklara pürüzsüz bir yüzey kazandırır. Genel olarak ultrasonik öğütme ve dispersiyon, ince boyutlu ve tekdüze bir parçacık dağılımı sağlar.

 

Sonikasyon tüm parçacıkların daha tutarlı bir şekilde işlenmesini sağladığından, ultrasonik öğütme ve dispersiyon çoğu zaman yüksek hızlı karıştırıcılardan ve öğütme ortamı kullanan değirmenlerden daha iyi sonuç verir. Genel olarak ultrasonikasyon, daha küçük parçacık boyutları ve dar bir parçacık boyutu dağılımı sağlar (pigment öğütme eğrileri). Daha büyük parçacıklar genellikle işlenebilirliği, parlaklığı, direnci ve optik görünümü olumsuz etkilediğinden, bu durum pigment dispersiyonlarının genel kalitesini iyileştirir.

Parçacıkların öğütülmesi ve inceltilmesi, ultrasonik kavitasyon sonucunda parçacıklar arasında meydana gelen çarpışmalara dayandığından, ultrasonik reaktörler oldukça yüksek katı madde konsantrasyonlarını (örneğin masterbatch’ler) işleyebilir ve yine de iyi boyut küçültme etkileri sağlayabilir. Aşağıdaki tablo, TiO2’nin yaş öğütülmesine ait görselleri göstermektedir.

Aşağıdaki grafik, Degussa anataz titanyum dioksitin ultrasonikasyonla deaglomerasyonu için parçacık boyutu dağılım eğrilerini göstermektedir. Sonikasyondan sonra eğrinin dar şekli, ultrasonik işlemenin tipik bir özelliğidir.

Yüksek Performanslı Kaplamalarda Nano Boyutlu Malzemeler

Nanoteknoloji, birçok sektöre girmekte olan gelişen bir teknolojidir. Nanomalzemeler ve nanokompozitler, örneğin aşınma ve çizilme direncini veya UV kararlılığını artırmak için kaplama formülasyonlarında kullanılmaktadır. Kaplamalardaki uygulamalar için en büyük zorluk, şeffaflığın, berraklığın ve parlaklığın korunmasıdır. Bu nedenle nanoparçacıkların, ışığın görünür spektrumuyla etkileşimi önlemek için çok küçük olması gerekir. Birçok uygulama için bu boyut, 100nm’nin önemli ölçüde altındadır.

Yüksek performanslı bileşenlerin nanometre aralığına kadar yaş öğütülmesi, nano ölçekte tasarlanmış kaplamaların formülasyonunda kritik bir adım hâline gelir. Görünür ışıkla etkileşen tüm parçacıklar puslanmaya ve şeffaflık kaybına neden olur. Bu nedenle çok dar boyut dağılımları gerekir. Ultrasonikasyon, katıların ince öğütülmesi için çok etkili bir yöntemdir. Sıvılardaki ultrasonik / akustik kavitasyon, parçacıklar arasında yüksek hızlı çarpışmalara neden olur. Geleneksel boncuklu değirmenlerden ve çakıl taşlı değirmenlerden farklı olarak parçacıkların kendileri birbirlerini ufalar ve böylece öğütme ortamlarına gerek kalmaz.

Örneğin Panadur (Almanya) gibi şirketler, kalıp içi kaplamalardaki nanomalzemelerin dispersiyonu ve deaglomerasyonu için Hielscher sonikatörlerini kullanır. Kalıp içi kaplamaların ultrasonik dispersiyonu hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!

Tehlikeli ortamlarda yanıcı sıvıların veya solventlerin sonikasyonu için ATEX sertifikalı işlemciler mevcuttur. ATEX sertifikalı ultrasonikatör UIP1000-Exd hakkında daha fazla bilgi edinin!