Siêu âm trong phối chế lớp phủ

Nhiều thành phần khác nhau, như chất màu, chất độn, phụ gia hóa học, chất tạo liên kết ngang và chất điều chỉnh lưu biến, được sử dụng trong các công thức lớp phủ và sơn. Siêu âm là phương pháp hiệu quả để phân tán, nhũ hóa, phá kết tụ và nghiền các thành phần này trong lớp phủ.

Siêu âm được sử dụng trong phối chế lớp phủ để:

• nhũ hóa polyme trong các hệ nước
• phân tán và nghiền mịn chất màu
• giảm kích thước vật liệu nano trong lớp phủ hiệu năng cao

Lớp phủ được chia thành hai nhóm chính: nhựa và lớp phủ gốc nước hoặc gốc dung môi. Mỗi loại đều có những thách thức riêng. Các định hướng yêu cầu giảm VOC và giá dung môi cao thúc đẩy sự phát triển của công nghệ lớp phủ nhựa gốc nước. Việc sử dụng siêu âm có thể nâng cao hiệu năng của các hệ thân thiện với môi trường này.

Cải thiện công thức lớp phủ nhờ siêu âm

Siêu âm có thể giúp các nhà phối chế lớp phủ kiến trúc, công nghiệp, ô tô và gỗ cải thiện các đặc tính của lớp phủ, như cường độ màu, khả năng chống trầy xước, chống nứt và chống tia UV hoặc độ dẫn điện. Một số đặc tính này của lớp phủ đạt được nhờ bổ sung vật liệu có kích thước nano, ví dụ như các oxit kim loại (TiO₂, silic đioxit, xeri đioxit, ZnO, …).

Siêu âm còn hỗ trợ phá bọt (bọt khí bị giữ lại) và khử khí (khí hòa tan) trong các sản phẩm có độ nhớt cao. Đọc thêm về loại bỏ không khí và khử khí trong chất lỏng bằng siêu âm!

Do công nghệ phân tán siêu âm có thể được sử dụng ở quy mô phòng thí nghiệm, thiết bị để bàn và sản xuất công nghiệp, cho phép năng suất xử lý trên 10 tấn/giờ, công nghệ này đang được ứng dụng trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển cũng như trong sản xuất thương mại. Kết quả của quá trình có thể được mở rộng quy mô một cách dễ dàng và tuyến tính.

Các thiết bị siêu âm Hielscher có hiệu suất năng lượng rất cao. Các thiết bị chuyển đổi khoảng 80 đến 90% công suất điện đầu vào thành hoạt động cơ học trong chất lỏng. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí xử lý.

Theo các liên kết dưới đây, bạn có thể đọc thêm về việc sử dụng siêu âm hiệu năng cao để

• nhũ hóa polyme trong các hệ nước,
• phân tán và nghiền mịn chất màu,
• và giảm kích thước vật liệu nano.

Trùng hợp nhũ tương bằng siêu âm

Các công thức lớp phủ truyền thống sử dụng kiến thức hóa học polyme cơ bản. Việc chuyển sang công nghệ lớp phủ gốc nước tác động đến việc lựa chọn nguyên liệu, các tính chất và phương pháp phối chế.

Trong quá trình trùng hợp nhũ tương thông thường, ví dụ như đối với lớp phủ gốc nước, các hạt được hình thành từ tâm ra bề mặt. Các yếu tố động học ảnh hưởng đến tính đồng nhất và hình thái của hạt.

Có thể sử dụng xử lý siêu âm theo hai cách để tạo nhũ tương polyme.

• Từ trên xuống: Nhũ hóa/phân tán các hạt polyme lớn hơn để tạo ra các hạt nhỏ hơn bằng cách giảm kích thước
• Từ dưới lên: Sử dụng siêu âm trước hoặc trong quá trình trùng hợp tạo hạt

 

Trong video này, chúng tôi giới thiệu hệ thống siêu âm 2 kilowatt vận hành trên đường ống trong tủ có thể thổi khí. Hielscher cung cấp thiết bị siêu âm cho hầu hết các ngành công nghiệp, như hóa chất, dược phẩm, mỹ phẩm, các quy trình hóa dầu cũng như các quy trình chiết xuất bằng dung môi. Tủ thép không gỉ có thể thổi khí này được thiết kế để vận hành tại khu vực nguy hiểm. Để đáp ứng mục đích này, khách hàng có thể thổi nitơ hoặc không khí sạch vào tủ kín nhằm ngăn khí hoặc hơi dễ cháy xâm nhập vào tủ.

 

Polyme dạng hạt nano trong nhũ tương mini

Quá trình trùng hợp các hạt trong nhũ tương mini cho phép tạo ra các hạt polyme phân tán với khả năng kiểm soát tốt kích thước hạt. Việc tổng hợp các hạt polyme kích thước nano trong nhũ tương mini (còn được gọi là các thiết bị phản ứng nano), như K. Landfester (2001) đã trình bày, là một phương pháp xuất sắc để hình thành các hạt nano polyme. Phương pháp này sử dụng số lượng lớn các khoang nano nhỏ (pha phân tán) trong nhũ tương làm các thiết bị phản ứng nano. Trong đó, các hạt được tổng hợp với mức độ song song cao trong từng giọt riêng biệt có không gian giới hạn. Trong bài báo của mình, Landfester (2001) trình bày quá trình trùng hợp trong các thiết bị phản ứng nano với mức độ hoàn thiện cao để tạo ra các hạt rất giống nhau và có kích thước gần như đồng đều. Hình phía trên cho thấy các hạt thu được bằng phản ứng trùng cộng có hỗ trợ siêu âm trong nhũ tương mini.

Các giọt nhỏ được tạo ra bằng cách áp dụng lực cắt cao (xử lý siêu âm) và được ổn định bằng các chất ổn định (chất nhũ hóa) có thể được làm rắn bằng quá trình trùng hợp tiếp theo hoặc bằng cách giảm nhiệt độ đối với các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp. Vì xử lý siêu âm có thể tạo ra các giọt rất nhỏ với kích thước gần như đồng đều trong quá trình xử lý theo mẻ và quá trình sản xuất, phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt cuối cùng. Để trùng hợp các hạt nano, có thể nhũ hóa các monome ưa nước vào pha hữu cơ và các monome kỵ nước vào nước.

Khi giảm kích thước hạt, tổng diện tích bề mặt hạt đồng thời tăng lên. Hình bên trái cho thấy mối tương quan giữa kích thước hạt và diện tích bề mặt đối với các hạt hình cầu. Do đó, lượng chất hoạt động bề mặt cần thiết để ổn định nhũ tương tăng gần như tuyến tính theo tổng diện tích bề mặt hạt. Loại và lượng chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng đến kích thước giọt. Có thể thu được các giọt có kích thước từ 30 đến 200nm bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt anion hoặc cation.

Bột màu trong lớp phủ

Bột màu hữu cơ và vô cơ là một thành phần quan trọng trong công thức lớp phủ. Để tối đa hóa hiệu quả của bột màu, cần kiểm soát tốt kích thước hạt. Khi thêm bột màu vào các hệ gốc nước, gốc dung môi hoặc epoxy, các hạt bột màu riêng lẻ có xu hướng tạo thành các khối kết tụ lớn. Các cơ chế tạo lực cắt cao, chẳng hạn như máy trộn rôto–stato hoặc máy nghiền bi có bộ khuấy, thường được sử dụng để phá vỡ các khối kết tụ này và nghiền nhỏ các hạt bột màu riêng lẻ. Xử lý siêu âm là một phương án thay thế cực kỳ hiệu quả cho công đoạn này trong quá trình sản xuất lớp phủ.

Các đồ thị dưới đây cho thấy tác động của xử lý siêu âm đến kích thước của bột màu ánh ngọc trai. Siêu âm nghiền các hạt bột màu riêng lẻ thông qua va chạm tốc độ cao giữa các hạt. Ưu điểm nổi bật của xử lý siêu âm là tác động mạnh của các lực cắt do xâm thực, khiến việc sử dụng vật liệu nghiền (ví dụ: hạt bi, hạt ngọc) trở nên không cần thiết. Khi được gia tốc bởi các tia chất lỏng cực nhanh với tốc độ lên đến 1000km/hr, các hạt va chạm dữ dội và vỡ thành những mảnh nhỏ. Sự mài mòn hạt tạo cho các hạt được nghiền bằng siêu âm một bề mặt nhẵn. Nhìn chung, quá trình nghiền và phân tán bằng siêu âm tạo ra các hạt có kích thước nhỏ và phân bố đồng đều.

 

Nghiền và phân tán bằng siêu âm thường vượt trội so với máy trộn tốc độ cao và máy nghiền sử dụng vật nghiền vì xử lý bằng siêu âm giúp xử lý tất cả các hạt đồng đều hơn. Nhìn chung, xử lý bằng siêu âm tạo ra các hạt có kích thước nhỏ hơn và phân bố kích thước hạt hẹp (các đường cong nghiền sắc tố). Điều này cải thiện chất lượng tổng thể của các hệ phân tán sắc tố, vì các hạt lớn hơn thường ảnh hưởng bất lợi đến khả năng gia công, độ bóng, khả năng chống chịu và ngoại quan quang học.

Vì quá trình nghiền hạt dựa trên sự va chạm giữa các hạt do xâm thực siêu âm gây ra, các thiết bị phản ứng siêu âm có thể xử lý nồng độ chất rắn khá cao (ví dụ: các hỗn hợp đậm đặc) mà vẫn đạt hiệu quả giảm kích thước tốt. Bảng dưới đây trình bày hình ảnh quá trình nghiền ướt TiO2.

Đồ thị dưới đây thể hiện các đường cong phân bố kích thước hạt khi phá kết tụ titan dioxit Degussa dạng anatase bằng siêu âm. Dạng hẹp của đường cong sau khi xử lý bằng siêu âm là một đặc điểm điển hình của quá trình xử lý bằng siêu âm.

Vật liệu kích thước nano trong lớp phủ hiệu năng cao

Công nghệ nano là một công nghệ mới nổi đang được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Vật liệu nano và vật liệu compozit nano đang được sử dụng trong các công thức lớp phủ, ví dụ để tăng khả năng chống mài mòn và chống trầy xước hoặc độ bền với tia UV. Thách thức lớn nhất khi ứng dụng trong lớp phủ là duy trì độ trong suốt, độ trong và độ bóng. Vì vậy, các hạt nano phải rất nhỏ để tránh tương tác với vùng phổ ánh sáng khả kiến. Đối với nhiều ứng dụng, kích thước này nhỏ hơn đáng kể so với 100nm.

Nghiền ướt các thành phần hiệu năng cao xuống phạm vi kích thước nanomet trở thành một bước then chốt trong việc xây dựng công thức lớp phủ được thiết kế ở cấp độ nano. Bất kỳ hạt nào tương tác với ánh sáng khả kiến đều gây mờ đục và làm giảm độ trong suốt. Vì vậy, cần có phân bố kích thước rất hẹp. Xử lý bằng siêu âm là một phương pháp rất hiệu quả để nghiền mịn chất rắn. Xâm thực siêu âm / âm học trong chất lỏng gây ra các va chạm tốc độ cao giữa các hạt. Khác với máy nghiền hạt và máy nghiền sỏi thông thường, các hạt tự nghiền nhỏ lẫn nhau, khiến việc sử dụng vật nghiền trở nên không cần thiết.

Các công ty như Panadur (Đức) sử dụng thiết bị siêu âm Hielscher để phân tán và phá kết tụ vật liệu nano trong lớp phủ trong khuôn. Nhấp vào đây để đọc thêm về phân tán lớp phủ trong khuôn bằng siêu âm!

Có các thiết bị xử lý được chứng nhận ATEX để xử lý bằng siêu âm các chất lỏng hoặc dung môi dễ cháy trong môi trường nguy hiểm. Tìm hiểu thêm về thiết bị siêu âm UIP1000-Exd được chứng nhận Atex!