Wissenschaft + Forschung

Den Formulationen für Farben und Lacke werden verschiedene Komponenten zugesetzt, um bestimmte Eigenschaften einer Beschichtung zu erhalten. Dabei handelt es sich beispielsweise um Pigmente, Füllstoffe, chemische Zusätze und Rheologie-Modifikatoren. Mittels Ultraschall lassen sich solche Komponenten äußerst effektiv dispergieren, emulgieren und mahlen. So kann Ultraschall z.B.
• zum Emulgieren von Polymeren in wässrigen Systemen
• zum Dispergieren und Feinmahlen von Pigmenten
• zur Partikelgrößenreduktion von Nanomaterialien in Hochleistungsbeschichtungen
• zum Entschäumen (eingeschlossene Gasblasen) und Entgasen (gelöste Gase) hochviskoser Produkte
eingesetzt werden.
Die Wirkung von Ultraschall
Werden Flüssigkeiten mit hoher Intensität beschallt, erzeugen die Schallwellen im flüssigen Medium alternierende Hochdruckzyklen (Kompression) und Niederdruckzyklen (Rarefaktion), deren Schwingungsrate von der Frequenz abhängt. Während eines Niederdruckzyklus bilden die hochenergetischen Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Erreichen diese Blasen ein Volumen, bei dem sie keine weitere Energie absorbieren können, platzen sie während eines Hochdruckzyklus. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Während der Implosion werden lokal sehr hohe Temperaturen (ca. 5000K) und Drücke (ca. 2000atm) erreicht. Zudem entstehen durch die Implosion der Kavitationsblasen Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/s. Die hohen Scherkräfte der Flüssigkeitsstrahlen verursachen z.B. Risse an Partikeloberflächen die Kollision der Partikel. Diese extremen Effekte von Ultraschall auf Flüssigkeiten können für zahlreiche Anwendungen, wir z.B. für das Mischen (Dispergieren, Emulgieren), das Deagglomerieren und Mahlen genutzt werden.
Emulsionspolymerisation
Üblichen verbreiteten Beschichtungsformulationen liegt die basische Polymerchemie zu Grunde. Der Wechsel zur wasserbasierten Beschichtungstechnologie wirkt sich auf die Auswahl der Ausgangsstoffe, die Eigenschaften und die Herstellungsprozesse aus. Bei der konventionellen Emulsionspolymerisation, z.B. für die wasserbasierten Beschichtungen, werden die Partikel von Kern zur Oberfläche hin ausgebaut. Kinetische Faktoren beeinflussen dabei die Homogenität und Morphologie der Partikel. Ultraschall kann in zwei verschiedenen Verfahrensweisen zur Herstellung von Polymeremulsionen eingesetzt werden:
Das Top-Down-Verfahren kommt beim Emulgieren oder Dispergieren von größeren Polymerpartikeln zum Einsatz, um durch eine Partikelgrößenreduktion kleinere Partikel zu erhalten.
Im Bottom-Up-Verfahren wird Ultraschall vor oder während der Partikelpolymerisation eingesetzt.
Nanoskalige Polymere in Miniemulsionen
Die Polymerisation von Partikeln in Miniemulsionen ermöglicht bei der Herstellung von dispergierten Polymerpartikeln eine genaue Kontrolle über die Partikelgröße. Die Synthese nanoskaliger Polymerpartikel in Miniemulsionen ("Nanoreaktoren") ist eine Methode, um polymerische Nanopartikel herzustellen. Dieses Vorgehen nutzt die hohe Anzahl kleiner Nanokompartments (disperse Phase) in einer Emulsion wie in den Nanoreaktoren. In diesen werden die Partikel in einzelne, begrenzte Tröpfchen synthetisiert. Mit Ultraschall können sehr feine Tröpfchen in fast vollständig einheitlicher, identischer Größe im Batch- und im Produktionsverfahren hergestellt werden. Dabei kann auch die letztendliche Partikelgröße sehr gut gesteuert werden. Für die Polymerisation der Nanopartikel können hydrophile Monomere in einer organischen Phase und hydrophobe Monomere in Wasser emulgiert werden. Durch die Partikelgrößenreduktion wird die Gesamtoberfläche der Partikel vergrößert, gleichzeitig steigt damit die benötigte Menge der oberflächenaktiven Stoffe, welche die Emulsion stabilisieren, linear an. Die Art und Summe dieser oberflächenaktiven Stoffe beeinflussen die Tröpfchengröße. Werden anionische oder kationische Stoffe verwendet, so werden Tropfengrößen zwischen 30 und 200nm erzielt.
Pigmente in Beschichtungen
Die Partikelgröße organischer und anorganischer Pigmente beeinflusst die Pigmentwirkung erheblich. Daher ist eine genaue Kontrolle über die Partikelgröße sehr wichtig. Da die einzelnen Partikel des Pigmentpulvers jedoch agglomerieren und dazu neigen große Agglomerate zu bilden, wenn sie einem wasserbasierten oder lösungsmittelbasierten System zugesetzt werden, ist ein Verfahren notwendig, mit dem solche Agglomerate aufgebrochen und die einzelnen Partikel fein gemahlen werden können. Innovative Ultraschallprozessoren haben sich als effektive Alternative zu den normalerweise eingesetzten Rotor-Stator-Mischern oder Perlmühlen erwiesen. Ein besonders hervorzuhebender Vorteil des Ultraschalleinsatzes gegenüber Hochgeschwindigkeitsmischern und Mühlen ist die gleichmäßige Behandlung aller Partikel, wodurch das Problem des „Tailings“ vermieden wird. Durch das Beschallen mittels Ultraschall lässt sich eine extrem enge Pigmentmahlkurve erreichen. Dadurch wird die Qualität der gesamten Pigmentdispersion verbessert, da größere Partikel üblicherweise die Prozessfähigkeit, den Glanz, die Widerstandsfähigkeit und die optische Erscheinung beeinträchtigen. Aufgrund ihres Wirkprinzipes können Ultraschallreaktoren hochkonzentrierte und viskose Materialien (z.B. Masterbatches) bewältigen, da das Mahlen und Zerschlagen der Partikel/ Agglomerate auf interpartikulärer Kollision basiert.
Nanomaterialien in Hochleistungsbeschichtungen
Die Nanotechnologie boomt und erobert sich ihren Platz in vielen Branchen der Industrie. Auch bei in den Formulationen von Beschichtungen werden Nanomaterialien und –komponenten eingesetzt, um z.B. die Abriebs- und Kratzfestigkeit oder die UV-Beständigkeit zu erhöhen. Ein besonders großes Problem stellt jedoch die Aufrechterhaltung der Transparenz, der Klarheit und des Glanzes bei Beschichtungen dar. Um Interferenzen mit dem sichtbaren Lichtspektrum zu vermeiden, müssen die Nanopartikel sehr klein sein. Das bedeutet häufig, dass Nanopartikel von deutlich weniger als 100nm erforderlich sind. Das innovative Nassmahlen von Hochleistungskomponenten auf nanoskalige Größen ist daher für die Herstellung hochentwickelter Nanobeschichtungen ein unverzichtbares Verfahren. Alle Partikel, die durch die Interferenz mit dem sichtbaren Lichtspektrum störend beeinflusst werden, ziehen Trübungen und Minderungen der Transparenz nach sich. Um dies zu vermeiden ist eine sehr enge Partikelgrößenverteilung notwendig. Ultraschall ist eine effektive Methode für das Feinstmahlen von Feststoffen.
Die Vorteile der Ultraschalltechnologie lassen sich einfach und unkompliziert im Labor- und Technikumsmaßstab testen, dabei können die Prozesse optimiert werden. Anschließend ist ein lineares Scale-up – genau auf die gewünschte Produktionskapazität abgestimmt - problemlos möglich. Hielscher Ultraschallprozessoren sind äußerst energieeffizient, so dass nur geringen Prozesskosten einkalkuliert werden müssen.

Der Hielscher UIP1000hd – Ideal für Versuche im Bench-top-Verfahren und zur Prozessoptimierung

Direkt-Link: http://www.hielscher.com/ultraschall/coatings_01.htm

Hielscher Ultrasonics GmbH
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