Ультразвук у рецептурі покриттів

У рецептури покриттів і фарб входять різні компоненти, такі як пігменти, наповнювачі, хімічні добавки, зшивачі і модифікатори реології. Ультразвук є ефективним засобом для диспергування і емульгування, деагломерації і подрібнення таких компонентів в покриттях.

Ультразвук використовується в рецептурі покриттів для:

• Емульгування полімерів у водних системах
• диспергування і тонке подрібнення пігментів
• зменшення розміру наноматеріалів у високоефективних покриттях

Покриття поділяються на дві великі категорії: водорозчинні смоли та покриття на основі розчинників. Кожен тип має свої виклики. Напрямки, що вимагають зниження вмісту летких органічних сполук і високих цін на розчинники, стимулюють зростання технологій покриття на основі водно-дисперсійних смол. Використання ультразвуку може підвищити продуктивність таких екологічних систем.

Покращена формула покриття завдяки ультразвуку

Ультразвук може допомогти розробникам архітектурних, промислових, автомобільних та дерев'яних покриттів покращити характеристики покриття, такі як міцність кольору, стійкість до подряпин, тріщин та ультрафіолету або електропровідність. Деякі з цих характеристик покриття досягаються за рахунок включення нанорозмірних матеріалів, наприклад, оксидів металів (TiO₂, діоксид кремнію, церія, ZnO, …).

Ультразвук також допомагає в піногасінні (захоплення бульбашок) і дегазації (розчинений газ) високов'язких продуктів. Дізнайтеся більше про ультразвукову деаерацію та дегазацію рідин!

Оскільки технологія ультразвукового диспергування може використовуватися на рівні лабораторного, настільного та промислового виробництва, що дозволяє досягти пропускної здатності понад 10 тонн на годину, вона застосовується в R&D стадії і в промисловому виробництві. Результати процесу можна масштабувати легко і лінійно.

Ультразвукові апарати Hielscher дуже енергоефективні. Пристрої перетворюють приблизно від 80 до 90% електричної вхідної потужності в механічну активність рідини. Це призводить до значного зниження витрат на переробку.

Перейшовши за посиланнями нижче, ви можете прочитати більше про використання високоефективного ультразвуку для

• Емульгування полімерів у водних системах,
• диспергування і тонке подрібнення пігментів,
• і зменшення розмірів наноматеріалів.

Полімеризація емульсії за допомогою ультразвукового апарату

У традиційних рецептурах покриттів використовується базова полімерна хімія. Перехід на технологію покриття на водній основі впливає на вибір сировини, властивості та методологію рецептури.

При звичайній емульсійній полімеризації, наприклад для водорозчинних покриттів, частинки будуються від центру до їх поверхні. Кінетичні фактори впливають на однорідність і морфологію частинок.

За допомогою ультразвукової обробки можна використовувати два способи отримання полімерних емульсій.

• зверху вниз: Емульгування/Диспергування більших полімерних частинок для утворення менших частинок шляхом зменшення розміру
• знизу вгору: Використання ультразвуку до або під час полімеризації частинок

 

 

Наночастинкові полімери в мініемульсіях

Полімеризація частинок в мініемульсіях дозволяє виготовляти дисперсні полімерні частинки з хорошим контролем за розміром частинок. Синтез наночастинкових полімерних частинок в мініемульсіях (також відомих як нанореактори), представлений К. Ландфестером (2001), є відмінним методом формування полімерних наночастинок. Цей підхід використовує велику кількість малих нанокомпартментів (дисперсна фаза) в емульсії як нанореактори. У них частинки синтезуються дуже паралельно в окремих, обмежених краплях. У своїй роботі Ландфестер (2001) представляє полімеризацію в нанореакторах у високій досконалості для генерації високоідентичних частинок майже однакового розміру. На зображенні вище показані частинки, отримані шляхом ультразвукового полідодавання в мініемульсіях.

Дрібні краплі, що утворюються при застосуванні високого зсуву (ультразвук) і стабілізуються стабілізуючими агентами (емульгаторами), можуть бути загартовані подальшою полімеризацією або зниженням температури в разі низькотемпературного плавлення матеріалів. Оскільки ультразвук може виробляти дуже маленькі краплі майже однакового розміру під час партії та виробничого процесу, це дозволяє добре контролювати кінцевий розмір частинок. Для полімеризації наночастинок гідрофільні мономери можуть емульгуватися в органічну фазу, а гідрофобні – у воді.

При зменшенні розміру частинок одночасно збільшується загальна площа поверхні частинок. На малюнку зліва показана кореляція між розміром частинок і площею поверхні у випадку сферичних частинок. Тому кількість поверхнево-активної речовини, необхідної для стабілізації емульсії, збільшується майже лінійно із загальною площею поверхні частинок. Тип і кількість поверхнево-активної речовини впливає на розмір крапель. Краплі від 30 до 200 нм можна отримати за допомогою аніонних або катіонних поверхнево-активних речовин.

Пігменти в покриттях

Органічні та неорганічні пігменти є важливим компонентом лакофарбових складів. Для того, щоб максимізувати продуктивність пігменту, необхідний хороший контроль над розміром частинок. При додаванні пігментного порошку до водорозчинних, розчинників або епоксидних систем окремі частинки пігменту мають тенденцію утворювати великі агломерати. Для розбивання таких агломератів і подрібнення окремих частинок пігменту традиційно використовуються високозсувні механізми, такі як роторно-статорні змішувачі або мішалки. Ультразвук є надзвичайно ефективною альтернативою для цього етапу у виробництві покриттів.

На графіках нижче показаний вплив ультразвукового апарату на розмір пігменту перлового блиску. Ультразвук подрібнює окремі частинки пігменту шляхом високошвидкісного зіткнення між частинками. Важливою перевагою ультразвуку є високий вплив кавітаційних сил зсуву, що робить непотрібним використання шліфувальних середовищ (наприклад, намистин, перлів). Коли частинки розганяються надзвичайно швидкими струменями рідини зі швидкістю до 1000 км/год, вони сильно стикаються і розбиваються на дрібні шматочки. Стирання частинок надає ультразвуково фрезерованим частинкам гладку поверхню. Загалом, ультразвукове подрібнення та диспергування призводить до дрібного та рівномірного розподілу частинок.

 

Ультразвукове подрібнення та диспергування часто перевершує високошвидкісні міксери та середовищні млини, оскільки ультразвук забезпечує більш послідовну обробку всіх частинок. Як правило, ультразвук дає менші розміри частинок і вузький розподіл частинок за розміром (криві подрібнення пігменту). Це покращує загальну якість пігментних дисперсій, оскільки більші частинки зазвичай заважають обробці, блиску, стійкості та оптичному вигляду.

Оскільки подрібнення та подрібнення частинок засноване на зіткненні між частинками в результаті ультразвукової кавітації, ультразвукові реактори можуть обробляти досить високі концентрації твердих речовин (наприклад, майстер-партії) і при цьому виробляти хороший ефект зменшення розміру. У таблиці нижче представлені фотографії мокрого помелу TiO2.

На графіку нижче показані криві розподілу частинок за розміром для деагломерації діоксиду титану анатазу Дегусса ультразвуковим шляхом. Вузька форма кривої після ультразвукової обробки є типовою ознакою ультразвукової обробки.

Нанорозмірні матеріали у високоефективних покриттях

Нанотехнології – це нова технологія, яка проникає в багато галузей. Наноматеріали та нанокомпозити використовуються у формулах покриттів, наприклад, для підвищення стійкості до стирання та подряпин або стійкості до ультрафіолету. Найбільшою проблемою для застосування в покриттях є збереження прозорості, чистоти та блиску. Тому наночастинки повинні бути дуже маленькими, щоб уникнути перешкод видимому спектру світла. Для багатьох застосувань цей показник значно нижчий за 100 нм.

Мокре шліфування високоефективних компонентів до нанометрового діапазону стає вирішальним кроком у формуванні наноінженерних покриттів. Будь-які частинки, що заважають видимому світлу, викликають помутніння і втрату прозорості. Тому потрібні дуже вузькі розподіли розмірів. Ультразвук є дуже ефективним засобом для тонкого подрібнення твердих речовин. Ультразвукова / акустична кавітація в рідинах викликає високошвидкісні міжчастинкові зіткнення. На відміну від звичайних бісерних млинів і галькових млинів, самі частинки з'єднуються один з одним, роблячи фрезерні середовища непотрібними.

Компанії, як Panadur (Німеччина) використовувати ультразвукові апарати Hielscher для диспергування та деагломерації наноматеріалів у формових покриттях. Натисніть тут, щоб прочитати більше про ультразвукову дисперсію покриттів у формі!

Для ультразвукування легкозаймистих рідин або розчинників у небезпечних середовищах доступні процесори, сертифіковані ATEX. Дізнайтеся більше про сертифікований компанією Atex ультразвуковий апарат UIP1000-Exd!