Производство красок и покрытий

This content was provided by Hielscher Ultrasonics GmbH

Различные компоненты – пигменты, наполнители, химические добавки, отвердители и реологические модификаторы используются в составе покрытий и красок. Ультразвук – это эффективное средство для диспергирования и эмульгирования, деагломерации и измельчения этих компонентов в красящем материале.

Ультразвук в этой области применения используется для:

• эмульгирования полимеров в водных системах
• диспергирования и измельчения пигментов
• сокращения размеров наноматериалов в высококачественных покрытиях

Покрытия подпадают под две широких категории: водосодержащие смолы и смолы на основе растворителей, и покрытия. Каждый тип имеет свои проблемы. Направления, требующие сокращения летучих органических соединений, а также высокие цены на растворители стимулировали развитие кроющих технологий на основе водосодержащих смол. Использование ультразвуковой обработки может улучшить показатели этих экологически безвредных систем.

Ультразвук может помочь составителям покрытий, применяемых в архитектуре, промышлености, в автомобилях и деревянных изделиях, в целях улучшения их кроющих характеристик, а именно, насыщенности цвета, устойчивости к образованию царапин и трещин и к воздействию ультрафиолета или электропроводимости. Некоторые из этих характеристик улучшаются путём включения наноматериалов, например, окислов металлов (TiO₂, кремнезём, диоксид церия, ZnO), в состав покрытия.

В дальнейшем, ультразвук помогает в удалении пены (уловленные пузырьки) и в дегазации (растворённый газ) продуктов с высокой вязкостью.

Поскольку ультразвуковая технология диспергирования может быть использована в лабораторном, опытном и производственном масштабе, обеспечивая выход продукта, превышающий 10 тонн/час, она применяется на стадии научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок и в коммерческом производстве. Технологические результаты можно легко увеличить (линейно).

Power input – подача энергии, conversion – преобразование энергии, output –выход, power plug – розетка питания, generator – генератор, transducer – преобразователь, liquid – жидкость, losses – потери, e.g. heat – например, теплота Ультразвуковые устройства компании Hielscher очень экономичны. В жидкостях устройства преобразуют примерно от 80 до 90% поступающей электрической энергии в механическую энергию. Это приводит к значительному снижению затрат на обработку.

Ниже вы можете прочитать об использовании ультразвука в эмульгировании полимеров в водных системах, о диспергировании и тонком размоле пигментов и о сокращении размеров наноматериалов.

Полимеризация эмульсий

Традиционные кроющие составы используют базовый химический состав полимеров. Переход на кроющие технологии на основе воды оказывает влияние на выбор сырья, на свойства и на методологию приготовления составов.

При обычной полимеризации эмульсий, например, для водосодержащих покрытий, частицы строятся от центра к их поверхности. Кинетические факторы влияют на однородность и морфологию частиц.

Ультразвуковая обработка может быть использована двумя путями генерирования полимерных эмульсий.

• Сверху вниз: эмульгирование / диспергирование более крупных частиц полимеров, чтобы образовать более мелкие частицы с помощью сокращения размеров
• Снизу вверх: использование ультразвука до или во время полимеризации частиц

Полимеры из наночастиц в миниэмульсиях

Полимеризация частиц в миниэмульсиях позволяет получать диспергированные частицы полимеров при хорошем контроле над размером частиц. Синтез полимерных наночастиц в миниэмульсиях в нанореакторах в том виде, как он представлен Ландфестером, служит способом для образования полимерных наночастиц. Такой подход использует большое количество мелких наноячеек (дисперсная фаза) в эмульсии в качестве нанореакторов. В них частицы синтезируются параллельно в отдельные, ограниченные определённым размером капли. В своей работе (The Generation on Nanoparticles in Miniemulsions – Образование наночастиц в миниэмульсиях) Ландфестер показывает, что полимеризация в нанореакторах в высшей степени подходит для образования абсолютно идентичных частиц практически одного размера. Фотография выше показывает частицы, полученные аддитивной полимеризацией в миниэмульсиях.

Мелкие капли, образованные применением сильного сдвига (ультразвуковой обработкой) и стабилизированные стабилизирующими реагентами (эмульгаторами), могут быть упрочнены дальнейшей полимеризацией или снижением температуры в случае применения материалов с низкой температурой плавления. Ультразвуковая обработка может генерировать очень мелкие капли практически одного размера в процессах периодического и непрерывного действия, что обеспечивает хороший контроль над конечным размером частиц. Для полимеризации наночастиц гидрофильные мономеры могут быть эмульгированы в органическую фазу, а гидрофобные мономеры – в воду.

Impact… - Влияние размера частицы на площадь поверхности, Total … - Общая площадь частицы, Particle… - размер частицы При сокращении размера частиц одновременно увеличивается общая площадь поверхности частиц. Картинка слева показывает корреляцию между размером частиц и площадью поверхности для случая со сферическими частицами (кликните для увеличения изображения). Поэтому, количество поверхностно-активного вещества, необходимого для стабилизации эмульсии, возрастает практически линейно вместе с общей площадью поверхности частиц. Тип и количество поверхностно-активного вещества влияет на размер капли. Капли от 30 до 200 нм могут быть получены с помощью анионных и катионных поверхностно-активных веществ.

Пигменты в покрытиях

Органические и неорганические пигменты являются важным компонентом в составах покрытий. Для того, чтобы максимизировать характеристики пигментов, требуется хороший контроль над размером частиц. При добавлении пигментного порошка в водосодержащие, растворитель-содержащие или эпоксидные системы отдельные пигментные частицы стремятся образовать крупные агломераты. Обычно для разрушения таких агломератов и измельчения отдельных частиц пигментов используются механизмы с высоким срезом, такие как роторно-статорные смесители или шаровые мельницы. Ультразвуковая обработка является чрезвычайно эффективной альтернативой этому для данного этапа в изготовлении покрытий.

Particle size distribution – гранулометрический состав, volume – объём, particle size – размер частиц Изображение справа (кликните, чтобы увеличить изображение) показывает влияние ультразвуковой обработки на размер пигмента, обладающего жемчужным блеском. Ультразвук измельчает отдельные частицы пигментов путём высокоскоростного столкновения частиц между собой. Значительное преимущество ультразвуковой обработки над высокоскоростными смесителями и мельницами для различных сред заключается в более единообразной обработке всех частиц. Это снижает проблему «хвостов». Как можно увидеть на картинке, кривые гранулометрического состава практически сдвигаются в левую сторону. Обычно, ультразвуковая обработка даёт чрезвычайно ограниченный диапазон гранулометрических составов (кривые измельчения пигментов), что улучшает общее качество дисперсии пигментов, т.к. более крупные частицы обычно отрицательно влияют на возможности обработки, на внешний вид, устойчивость и оптические показатели пигментов.

Поскольку измельчение и шлифовка основываются на столкновениях между частицами, являющихся результатом ультразвуковой кавитации, ультразвуковые реакторы могут легко обрабатывать материалы, имеющие высокую концентрацию твёрдых веществ (например, маточные смеси), и при этом обеспечивать хорошее сокращение размеров частиц. Ниже приводятся изображения мокрого размола TiO₂ (кликните для увеличения изображения).

до ультразвуковой обработки		после обработки
	TiO2 из шаровой мельницы
	Распыленный высушенный TiO2

Light scattering intensity… интенсивность рассеяния света, анатаз, before ultrasonication – до ультразвуковой обработки, after…- после ультразвуковой обработки, size – размер, intensity - интенсивность Картинка справа (кликните на изображение для увеличения) показывает кривые гранулометрического состава для деагломерации двуокиси титана анатазной формы с помощью ультразвуковой обработки. Узкая форма полученного графика является характерным знаком ультразвуковой обработки.

Наноразмерные материалы в высококачественных покрытиях

Нанотехнология – это передовая технология, только прокладывающая свой путь в различные отрасли промышленности. Наноматериалы и нанокомпозиты используются в кроющих составах, например, для усиления устойчивости абразивному износу и возникновению царапин или стойкости к ультрафиолетовому облучению. Самой большой проблемой для их применения в покрытиях является сохранение прозрачности, кристальности и внешнего вида. Поэтому, наночастицы должны быть очень мелкими для того, чтобы они не смогли влиять на видимый спектр оптического излучения. Во многих случаях их размер будет гораздо меньше, чем 100 нм.

Мокрый размол высококачественных компонентов до нанометрического диапазона становится решающим этапом в создании составов покрытий на уровне наноразмеров. Любые частицы, которые заслоняют видимый свет, вызывают ухудшение и потерю прозрачности. Поэтому, требуется очень узкий диапазон размеров частиц. Ультразвуковая обработка является очень эффективным средством для тонкого размола твёрдых веществ. Ультразвуковая кавитация в жидкостях вызывает высокоскоростные столкновения между частицами, и в отличие от обычных шаровых и галечных барабанных мельниц здесь сами частицы измельчают друг друга, делая размольное оборудование ненужным.

Такие фирмы как Panadur (Германия) применяют ультразвуковые устройства компании Hielscher для диспергирования и деагломерации наноматериалов в покрытиях, полученных методом IMC. Для ультразвуковой обработки воспламеняющихся жидкостей или растворителей во вредных средах рекомендуются такие устройства, как UIP1000-Exd, сертифицированные по FM и по ATEX.