Partikelgrößenreduktion für Tinten (z.B. Inkjet) mittels Ultraschall

Die durch Ultraschall erzeugte Kavitation bietet eine effektive Möglichkeit, um Tintenpigmente zu dispergieren und mikrofein zu mahlen (Nassmahlen). Diese Technologie kann sowohl für Tinten auf UV-Basis wie auch für wasser- oder lösungsmittelbasierte Inkjet-Tinten eingesetzt werden.

Ultraschall ist sehr effektiv, wenn es darum geht, die Größe von Partikel von 500µm bis auf eine Größe von ca. 10nm zu reduzieren. Der Graph im rechten Schaubild gibt ein Beispiel für die Ergebnisse des Beschallens von Inkjet-Tinten wieder. (Klicken Sie hier für eine größere Ansicht !; rechte Kurve: vor dem Beschallen, linke Kurve : nach dem Beschallen).

Kontrolle über die Prozessparameter und die Ergebnisse

Die Partikelgröße und die Partikelgrößenverteilung der Tintenpigmente wirken sich auf verschiedene Produkteigenschaften, wie z. B. die Tintenstärke oder die Druckqualität aus. Beim Drucken mit Inkjet-Tinte kann schon ein kleiner Anteil an größeren Partikeln zu Instabilität der Dispersion, zu Ablagerungen oder zum Versagen der Inkjet-Düsen führen. Aus diesem Grunde ist es für die Inkjet-Qualität wichtig, während der Tintenproduktion eine genaue Kontrolle über den Partikelgrößenreduktionsprozess zu haben.

Inline-Prozess

Hielscher Ultraschallreaktoren werden für gewöhnlich in Inline-Verfahren eingesetzt. Die Inkjet-Tinte wird dafür in den Reaktor gepumpt. Dort wird sie bei einer genau kontrollierten Beschallungsintensität der Ultraschallkavitation ausgesetzt. Die Beschallungsdauer ist abhängig vom Reaktorvolumen und der Zufuhr des Ausgangsstoffes Das Inline-Beschallen verhindert ein Vorbeifließen noch unbeschallten Ausgangsmaterials, da alle Partikel den Reaktor auf einem vorgegebenen Weg passieren. Da alle Partikel während jedes Zyklus die gleiche Zeit lang identischen Beschallungsparametern ausgesetzt sind, wird die Verteilungskurve durch die Verwendung von Ultraschall mehr verschoben als ausgeweitet. Ein nach rechts verzögertes Auslaufen der Partikelverteilungskurve kann bei den beschallten Proben nicht beobachtet werden.

Die Prozesskühlung

Für temperaturempfindliche Vehikel bietet Hielscher für alle Labor- und Industriegeräte eine ummantelte Durchflusszelle an. Durch das Kühlen der inneren Reaktorwände kann die Erwärmung effektiv abgebaut werden.

Die unten stehenden Bilder zeigen in UV-Tinte dispergierte Carbon Black Pigmente. Klicken Sie für eine größere Ansicht bitte auf die Bilder.

vor dem Beschallen	nach dem Beschallen

Dispergieren und Deagglomerieren in jedem Größenmaßstab

Hielscher entwickelt und baut Ultraschallgeräte, mit denen Sie jegliche Volumina an Tinten beschallen können. Die Labor-Ultraschallgeräte sind prädestiniert, um Volumina von 1,5ml bis ca. 2l zu beschallen. Die Industrie-Ultraschallgeräte werden für die Prozessentwicklung und für die Produktion eingesetzt. Bei Batch-Prozessen können sie ein Volumen zwischen 0,5 und ca. 2000l bewältigen, im Durchflussmodus liegt die Rate zwischen 1,0l bis hin zu 20m³ pro Stunde. Im Gegensatz zu anderen Dispersions- und Mahltechnologien kann ein Verfahren mit Ultraschall problemlos hochskaliert werden. Laborversuche ermöglichen es, die benötigte Ausrüstung entsprechend der Prozessgröße auszuwählen. Die unten stehende Tabelle führt allgemeine Geräteempfehlungen, entsprechend des zu beschallenden Batch-Volumens und der zu beschallenden Durchflussrate, auf.

Batch-Volumen	Durchflussrate	empfohlene Geräte
0,5 bis 1.5ml	n.a.	VialTweeter
1 bis 500ml	10 bis 200ml/min	UP100H
10 bis 2000ml	20 bis 400ml/min	UP200S, UP400S
0,1 bis 20l	0,2 bis 4l/min	UIP1000hd, UIP2000
10 bis 100l	2 bis 10l/min	UIP4000
n.a.	10 bis 100l/min	UIP16000
n.a.	größer	Cluster aus UIP16000

Robust und pflegeleicht

Ein Ultraschallreaktor besteht aus dem Reaktorgefäß und der Ultraschallsonotrode. Die Sonotrode ist der einzige Teil, der Verschleißerscheinungen unterliegt; sie kann aber problemlos innerhalb weniger Minuten ausgetauscht werden. Ein schwingungsentkoppelnder Flansch ermöglicht das Montieren der Sonotrode in einem offenen oder geschlossenen Batch- oder Durchflusssystem mit jeglicher Ausrichtung. Bohrungen sind dabei nicht notwendig. Die Durchflussreaktoren sind generell aus Edelstahl und weisen eine geometrisch günstige Form auf, so dass sie leicht zerlegt und ausgewischt werden können. Es gibt keine kleine Öffnungen oder versteckte Ecken, die das Reinigen erschweren.

Ultraschall Cleaner in Place

Die Ultraschallintensität, die beim Dispergieren genutzt wird, ist um vieles höher als die Intensität, die für das Reinigen mit Ultraschall benötigt wird. Trotzdem kann die Ultraschallleistung des Gerätes bei der Reinigung während des Ausspülens unterstützend eingesetzt werden. Die Kavitation entfernt Partikel und Flüssigkeitsrückstände von der Sonotrode und von den Reaktorwänden.