Ультразвук у розробленні рецептур покриттів

До складу рецептур покриттів і фарб входять різні компоненти, як-от пігменти, наповнювачі, хімічні добавки, зшивальні агенти та модифікатори реології. Ультразвук є ефективним засобом диспергування та емульгування, деагломерації та подрібнення таких компонентів у покриттях.

Ультразвук застосовують під час розроблення рецептур покриттів для:

• емульгування полімерів у водних системах
• диспергування та тонкого подрібнення пігментів
• зменшення розміру наноматеріалів у високоефективних покриттях

Покриття поділяють на дві широкі категорії: водні смоли й покриття та смоли й покриття на основі розчинників. Кожен тип має свої труднощі. Вимоги щодо скорочення вмісту летких органічних сполук (ЛОС) і високі ціни на розчинники стимулюють розвиток технологій покриттів на основі водних смол. Застосування ультразвукової обробки може поліпшити експлуатаційні характеристики таких екологічно безпечних систем.

Удосконалення рецептур покриттів завдяки ультразвуковій обробці

Ультразвук може допомогти розробникам рецептур будівельних, промислових, автомобільних покриттів і покриттів для деревини поліпшити характеристики покриттів, як-от інтенсивність кольору, стійкість до подряпин, розтріскування та УФ-випромінювання або електропровідність. Деякі з цих характеристик покриттів досягаються завдяки введенню нанорозмірних матеріалів, наприклад оксидів металів (TiO₂, діоксид кремнію, діоксид церію, ZnO, …).

Ультразвук також допомагає усувати піну (захоплені бульбашки) та проводити дегазацію (видалення розчиненого газу) високов’язких продуктів. Дізнайтеся більше про ультразвукову деаерацію та дегазацію рідин!

Оскільки технологію ультразвукового диспергування можна застосовувати в лабораторних, настільних і промислових виробничих установках, досягаючи продуктивності понад 10 тонн/годину, її використовують на етапі досліджень і розробок та в комерційному виробництві. Результати процесу можна легко й лінійно масштабувати.

Ультразвукові пристрої Hielscher дуже енергоефективні. Вони перетворюють приблизно від 80 до 90% вхідної електричної потужності на механічну дію в рідині. Це забезпечує суттєво нижчі витрати на обробку.

За наведеними нижче посиланнями можна дізнатися більше про застосування високопотужного ультразвуку для

• емульгування полімерів у водних системах,
• диспергування та тонкого подрібнення пігментів,
• та зменшення розміру наноматеріалів.

Емульсійна полімеризація із застосуванням ультразвукової обробки

У традиційних рецептурах покриттів використовують базові принципи хімії полімерів. Перехід до технології покриттів на водній основі впливає на вибір сировини, властивості та методи розроблення рецептур.

За звичайної емульсійної полімеризації, наприклад для покриттів на водній основі, частинки формуються від центра до поверхні. Кінетичні чинники впливають на однорідність і морфологію частинок.

Ультразвукову обробку можна застосовувати двома способами для отримання полімерних емульсій.

• Зверху вниз: Емульгування/диспергування більших полімерних частинок для отримання менших частинок шляхом зменшення їхнього розміру
• Знизу вгору: Застосування ультразвуку до або під час полімеризації частинок

 

У цьому відео ми показуємо ультразвукову систему потужністю 2 кіловати для роботи в потоці, розміщену в шафі з продуванням. Hielscher постачає ультразвукове обладнання практично для всіх галузей, зокрема хімічної, фармацевтичної та косметичної промисловості, нафтохімічних процесів, а також процесів екстракції розчинниками. Цю шафу з нержавіючої сталі з продуванням призначено для роботи у вибухонебезпечних зонах. Для цього замовник може продувати герметичну шафу азотом або свіжим повітрям, щоб запобігти потраплянню всередину легкозаймистих газів або парів.

 

Наночастинкові полімери в мініемульсіях

Полімеризація частинок у мініемульсіях дає змогу виготовляти дисперговані полімерні частинки з належним контролем їхнього розміру. Синтез нанорозмірних полімерних частинок у мініемульсіях (також відомих як нанореактори), представлений K. Landfester (2001), є чудовим методом утворення полімерних наночастинок. У цьому підході велика кількість малих нанокомпартментів (дисперсна фаза) в емульсії використовується як нанореактори. У них синтез частинок відбувається з високим ступенем паралельності в окремих обмежених краплях. У своїй статті Landfester (2001) представляє полімеризацію в нанореакторах із високим ступенем досконалості для отримання частинок із високим ступенем ідентичності та майже однаковим розміром. На зображенні вище показано частинки, отримані шляхом поліадіції в мініемульсіях за сприяння ультразвуку.

Малі краплі, утворені під дією високих зсувних сил (ультразвукова обробка) та стабілізовані стабілізувальними речовинами (емульгаторами), можна затвердити шляхом подальшої полімеризації або зниження температури у випадку матеріалів із низькою температурою плавлення. Оскільки ультразвукова обробка дає змогу отримувати дуже малі краплі майже однакового розміру в періодичному процесі та у виробничому процесі, вона забезпечує належний контроль кінцевого розміру частинок. Для полімеризації наночастинок гідрофільні мономери можна емульгувати в органічній фазі, а гідрофобні мономери – у воді.

Зі зменшенням розміру частинок одночасно збільшується загальна площа їхньої поверхні. На рисунку ліворуч показано взаємозв’язок між розміром частинок і площею поверхні для сферичних частинок. Тому кількість поверхнево-активної речовини, необхідна для стабілізації емульсії, зростає майже лінійно зі збільшенням загальної площі поверхні частинок. Тип і кількість поверхнево-активної речовини впливають на розмір крапель. За допомогою аніонних або катіонних поверхнево-активних речовин можна отримати краплі розміром від 30 до 200nm.

Пігменти в покриттях

Органічні та неорганічні пігменти є важливим компонентом рецептур покриттів. Для максимального підвищення ефективності пігментів необхідний належний контроль розміру частинок. Під час додавання пігментного порошку до водних систем, систем на основі розчинників або епоксидних систем окремі частинки пігменту схильні утворювати великі агломерати. Для руйнування таких агломератів і подрібнення окремих частинок пігменту традиційно застосовують механізми з високими зсувними силами, як-от роторно-статорні змішувачі або бісерні млини з мішалкою. Ультразвукова обробка є надзвичайно ефективною альтернативою на цьому етапі виробництва покриттів.

Наведені нижче графіки показують вплив ультразвукової обробки на розмір частинок перламутрового пігменту. Ультразвук подрібнює окремі частинки пігменту завдяки високошвидкісним зіткненням між частинками. Виразною перевагою ультразвукової обробки є потужна дія кавітаційних зсувних сил, що усуває потребу у використанні подрібнювальних тіл (наприклад, бісеру, кульок). Оскільки частинки прискорюються надзвичайно швидкими струменями рідини зі швидкістю до 1000km/hr, вони інтенсивно зіштовхуються та розбиваються на дрібні фрагменти. Стирання частинок надає частинкам, подрібненим ультразвуком, гладкої поверхні. Загалом ультразвукове подрібнення та диспергування забезпечують дрібні частинки з рівномірним розподілом за розміром.

 

Ультразвукове подрібнення та диспергування часто перевершують високошвидкісні змішувачі та млини з подрібнювальними тілами, оскільки ультразвукова обробка забезпечує рівномірнішу обробку всіх частинок. Загалом ультразвукова обробка дає змогу отримати частинки меншого розміру та вузький розподіл частинок за розмірами (криві подрібнення пігментів). Це поліпшує загальну якість пігментних дисперсій, оскільки більші частинки зазвичай негативно впливають на технологічність, блиск, стійкість та оптичний вигляд.

Оскільки подрібнення та розмелювання частинок ґрунтуються на зіткненнях між частинками внаслідок ультразвукової кавітації, ультразвукові реактори можуть обробляти матеріали з досить високими концентраціями твердої фази (наприклад, концентрати) і водночас забезпечувати ефективне зменшення розміру частинок. У таблиці нижче наведено зображення мокрого подрібнення TiO2.

На графіку нижче показано криві розподілу частинок за розмірами під час деагломерації діоксиду титану Degussa у формі анатазу за допомогою ультразвукової обробки. Вузька форма кривої після ультразвукової обробки є характерною ознакою цього процесу.

Нанорозмірні матеріали у високоефективних покриттях

Нанотехнологія – це нова технологія, яка поширюється в багатьох галузях промисловості. Наноматеріали та нанокомпозити використовують у рецептурах покриттів, наприклад, для підвищення стійкості до стирання та подряпин або стійкості до УФ-випромінювання. Найбільша складність їх застосування в покриттях полягає у збереженні прозорості, оптичної чистоти та блиску. Тому наночастинки мають бути дуже малими, щоб уникнути взаємодії з видимим спектром світла. Для багатьох застосувань їхній розмір має бути значно меншим за 100nm.

Мокре подрібнення високоефективних компонентів до нанометрового діапазону стає вирішальним етапом розроблення рецептур покриттів із використанням нанотехнологій. Будь-які частинки, що взаємодіють із видимим світлом, спричиняють помутніння та втрату прозорості. Тому потрібні дуже вузькі розподіли частинок за розмірами. Ультразвукова обробка є дуже ефективним засобом тонкого подрібнення твердих речовин. Ультразвукова / акустична кавітація в рідинах спричиняє високошвидкісні зіткнення між частинками. На відміну від звичайних бісерних і галькових млинів, частинки самі подрібнюють одна одну, усуваючи потребу в подрібнювальних тілах.

Такі компанії, як Panadur (Німеччина), використовують ультразвукові апарати Hielscher для диспергування та деагломерації наноматеріалів у покриттях, що наносяться у формі. Натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвукове диспергування покриттів, що наносяться у формі!

Для ультразвукової обробки легкозаймистих рідин або розчинників у вибухонебезпечних середовищах доступні процесори, сертифіковані за ATEX. Дізнайтеся більше про ультразвуковий апарат UIP1000-Exd, сертифікований за Atex!