Siêu âm để phân tán và nghiền: Sơn và chất màu

Siêu âm công suất cao được biết đến rộng rãi nhờ tác dụng nghiền và phân tán mạnh mẽ, có thể kiểm soát chính xác. Điều này khiến máy đồng nhất siêu âm trở thành lựa chọn lý tưởng để sản xuất hồ chất màu và các công thức sơn. Máy siêu âm công nghiệp tạo ra sự phân bố kích thước hạt có độ đồng đều cao trong phạm vi micromét và nanomét. Hãy xử lý các dòng vật liệu có lưu lượng thể tích lớn và độ nhớt cao bằng máy siêu âm Hielscher để đạt được khả năng thấm ướt, phân tán, phá kết tụ và nghiền đồng nhất!

Sản xuất sơn bằng siêu âm

Cải thiện sơn, màu và lớp phủ của bạn bằng xử lý siêu âm:

• Công thức: Dù có độ nhớt cao, hàm lượng hạt cao, nền nước hay nền dung môi – bạn đều có thể xử lý bất kỳ công thức nào bằng máy siêu âm công nghiệp lắp trực tiếp trên đường ống của Hielscher.
• Kích thước micromét và nanomét: Lực cắt lớn do hiện tượng xâm thực âm học tạo ra làm giảm đường kính hạt xuống kích thước cực nhỏ và tạo ra hệ phân tán đồng đều. Việc điều chỉnh các thông số xử lý siêu âm theo yêu cầu về hạt và công thức cho phép sản xuất chất màu kích thước nano một cách tin cậy.
• Tính chất quang học: Để đạt được các tính chất quang học phù hợp, cần kiểm soát kích thước hạt chất màu. Thông thường, độ che phủ có mối tương quan với kích thước hạt: kích thước hạt càng nhỏ, độ che phủ càng cao. Ví dụ, TiO2 được xử lý riêng để đạt kích thước hạt từ 0,20 đến 0,3 micromét, xấp xỉ một nửa bước sóng ánh sáng. Xử lý siêu âm làm giảm kích thước hạt chất màu TiO2 đến mức tối ưu, nhờ đó đạt được khả năng che phủ tối đa.
• Hạt hiệu năng cao: Kích thước hạt nhỏ hơn mang lại độ bão hòa màu, độ đồng nhất màu và độ ổn định cao hơn. Các lực siêu âm mạnh mẽ nhưng có thể kiểm soát chính xác cho phép sản xuất các hạt nano được biến tính và chức năng hóa, chẳng hạn như hạt có lớp phủ, SWNTs, MWCNTs và hạt lõi–vỏ. Những hạt này thể hiện các đặc tính độc đáo và nâng các công thức sơn hoặc lớp phủ lên một tầm cao mới về chất lượng và chức năng (ví dụ: khả năng chống tia UV, chống trầy xước, độ bền, độ bám dính, khả năng chịu nhiệt cao, khả năng phản xạ bức xạ hồng ngoại và bức xạ mặt trời).
• Hạt biến tính: Chất màu được biến tính bề mặt có độ nhớt rất thấp ở hàm lượng chất màu cao (2,5cP ở hàm lượng chất rắn 10%), độ ổn định huyền phù vượt trội và độ tinh khiết cao. Chức năng hóa hạt có hỗ trợ siêu âm giúp đơn giản hóa việc tổng hợp các chất màu hiệu năng cao có những đặc tính đặc biệt.

Hồ chất màu được nghiền và phân tán bằng hiện tượng xâm thực siêu âm và lực cắt lớn cho thấy kích thước giảm đáng kể và sự phân bố đồng đều. Đồ thị phía trên cho thấy mức độ giảm kích thước tăng khi năng lượng siêu âm tăng.

Để sản xuất sơn, các thành phần như chất màu, chất kết dính/ chất tạo màng, chất pha loãng/ dung môi, nhựa, chất độn và phụ gia phải được trộn với nhau thành một công thức đồng nhất. Chất màu là thành phần quyết định màu sắc của sơn. Chất màu trắng quan trọng nhất là TiO2, cần được nghiền đến kích thước hạt tối ưu có đường kính từ 0,2 đến 0,3 micromét để thể hiện mức độ trắng, độ sáng, độ che phủ mong muốn và chỉ số khúc xạ rất cao. Lực cắt siêu âm giúp phá kết tụ và phân tán các hạt TiO2 rất hiệu quả, đồng thời sử dụng năng lượng hiệu quả (xem hình bên dưới).

Ảnh TEM của huyền phù hạt nano TiO2 được phân tán bằng siêu âm ở các nồng độ chất rắn khác nhau. Quá trình xử lý siêu âm được thực hiện bằng máy siêu âm UIP1000hdT
Trái: năng lượng siêu âm đầu vào 1,8 × 10⁵ J/L – Phải: năng lượng siêu âm đầu vào 5,4 × 10⁵ J/L
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Fasaki và cộng sự, 2012)

 
Nghiền và phân tán bằng siêu âm nâng cao chất lượng sơn bằng cách cải thiện cường độ màu, khối lượng riêng, độ mịn nghiền, khả năng phân tán và tính lưu biến.

Điều kiện phân tán và nghiền bằng siêu âm

Chất lượng sơn và lớp phủ phụ thuộc vào sự phân tán đồng nhất của các chất màu. Hielscher Ultrasonics cung cấp thiết bị nghiền hiệu quả để phân tán sơn, đặc biệt là các công thức có hàm lượng chất màu cao. Cơ chế hoạt động của máy phân tán siêu âm trong các ứng dụng nghiền, nghiền mịn, phá kết tụ và phân tán chủ yếu dựa trên nguyên lý cắt do hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra. Lực cắt do xâm thực cần thiết để tách rời các hạt được tạo ra bởi chênh lệch áp suất lớn, các điểm nóng cục bộ và các tia chất lỏng, khiến các hạt bị phá vỡ do va chạm giữa các hạt.
Máy phân tán siêu âm công nghiệp như UIP16000hdT với công suất 16.000 oát trên mỗi đầu dò siêu âm có khả năng xử lý các dòng sơn và lớp phủ có lưu lượng thể tích lớn.

Sơn phấn được xử lý siêu âm trên thước đo độ mịn cho thấy sự phá kết tụ và phân bố kích thước hạt chất màu đồng đều hoàn hảo

Phân tán hạt nano

Nghiền và phân tán bằng siêu âm thường là phương pháp duy nhất để xử lý hiệu quả các hạt nano nhằm thu được các hạt sơ cấp phân tán riêng lẻ. Kích thước hạt sơ cấp nhỏ tạo ra diện tích bề mặt lớn và có mối tương quan với sự biểu hiện các đặc tính và chức năng độc đáo của hạt. Đồng thời, kích thước hạt nhỏ hơn gắn liền với năng lượng bề mặt cao, làm tăng mức độ kết tụ và khả năng phản ứng, do đó cần có lực phân tán siêu âm mạnh để phân tán đồng nhất các hạt nano vào công thức.
Hơn nữa, xử lý bề mặt bằng siêu âm có thể biến tính các hạt nano, giúp cải thiện khả năng phân tán, độ ổn định phân tán, tính kỵ nước và các đặc tính khác.
Các nhà nghiên cứu đã khuyến nghị phương pháp phân tán siêu âm cho hạt nano là giải pháp ưu tiên, “vì vật liệu được phân tán bằng phương pháp siêu âm tinh khiết hơn nhiều so với vật liệu được tạo ra bằng phương pháp nghiền bi nhỏ.” [Kim et al. 2010].

Kỹ thuật phân tán siêu âm có nhiều ưu điểm so với các công nghệ nghiền truyền thống như máy nghiền ba trục, máy nghiền bi hoặc máy nghiền sử dụng vật liệu nghiền.

Đọc thêm về đồng nhất hóa và phân tán bằng siêu âm các chất màu và chất tạo màu dùng cho các mẻ cô đặc và công thức sơn!

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.