تقليل حجم جسيمات الحبر بالموجات فوق الصوتية (مثل أحبار الطباعة النافثة للحبر)

يُعدّ التجويف بالموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة لتشتيت أصباغ الحبر وطحنها الدقيق (الطحن الرطب). وتُستخدم أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية بنجاح في الأبحاث وكذلك في التصنيع الصناعي لأحبار الطباعة النافثة للحبر المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية أو القائمة على الماء أو المذيبات.

أحبار الطباعة النافثة للحبر ذات التشتت النانوي

تتميز الموجات فوق الصوتية بفعالية كبيرة في تقليل حجم الجسيمات ضمن النطاق من 500µm وصولًا إلى نحو 10nm.
عند استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتشتيت الجسيمات النانوية في حبر الطباعة النافثة للحبر، يمكن تحسين النطاق اللوني للحبر ومتانته وجودة الطباعة بدرجة كبيرة. لذلك، تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار على نطاق واسع في تصنيع أحبار الطباعة النافثة للحبر المحتوية على جسيمات نانوية، والأحبار المتخصصة (مثل الأحبار الموصلة للكهرباء، والأحبار القابلة للطباعة بتقنية 3D، وأحبار الوشم)، والدهانات.
 

تُظهر الرسوم البيانية أدناه مثالًا يقارن بين الأصباغ السوداء غير المعالجة بالموجات فوق الصوتية والأصباغ المشتتة بالموجات فوق الصوتية في حبر الطباعة النافثة للحبر. أُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام المسبار فوق الصوتي UIP1000hdT. وأسفرت المعالجة عن حجم جسيمات أصغر بوضوح وتوزيع ضيق جدًا لأحجام الجسيمات.

ينتج عن التشتيت بالموجات فوق الصوتية أصباغ حبر أصغر بكثير وأكثر تجانسًا. (الرسم البياني الأخضر: قبل المعالجة بالموجات فوق الصوتية – الرسم البياني الأحمر: بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية)

كيف يُحسّن التشتيت بالموجات فوق الصوتية جودة حبر الطباعة النافثة للحبر؟

تتميز أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة بكفاءة عالية في تشتيت الجسيمات النانوية وتقليل حجمها وتوزيعها توزيعًا متجانسًا.
وهذا يعني أن تشتيت الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية في حبر الطباعة النافثة للحبر يمكن أن يُحسّن أداءه ومتانته. والجسيمات النانوية جسيمات صغيرة جدًا تتراوح أحجامها بين 1 و100 نانومتر، وتمتلك خصائص فريدة يمكن أن تُحسّن حبر الطباعة النافثة للحبر بطرق عدة.

• أولًا، يمكن للجسيمات النانوية تحسين النطاق اللوني لحبر الطباعة النافثة للحبر، أي مجموعة الألوان التي يمكن إنتاجها. وعندما تُشتت الجسيمات النانوية بصورة متجانسة باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار، يُظهر الحبر نتيجةً لذلك ألوانًا أكثر حيوية وتشبعًا. ويعود ذلك إلى أن الجسيمات النانوية تستطيع تشتيت الضوء وعكسه بطرق لا تستطيعها المواد الملونة والأصباغ التقليدية، مما يُحسّن إعادة إنتاج الألوان.
• ثانيًا، يمكن للجسيمات النانوية المشتتة بصورة متجانسة أن تزيد مقاومة حبر الطباعة النافثة للحبر للبهتان والماء والتلطخ. ويعود ذلك إلى أن الجسيمات النانوية تستطيع الارتباط بقوة أكبر بالورق أو بغيره من الركائز، مما ينتج صورة أكثر متانة وأطول بقاءً. كذلك، يمكن للجسيمات النانوية منع تسرب الحبر وانتشاره داخل الورق، وهو ما قد يسبب التلطخ ويقلل حدة الصورة المطبوعة.
• أخيرًا، يمكن للجسيمات النانوية المشتتة بالموجات فوق الصوتية أيضًا تحسين جودة الطباعة ودقتها باستخدام حبر الطباعة النافثة للحبر. وتتميز أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية بكفاءة استثنائية في طحن الجسيمات النانوية ومزجها في السوائل. وباستخدام جسيمات أصغر، يستطيع الحبر تكوين خطوط أدق وأكثر إحكامًا، مما ينتج صورًا أكثر حدة ووضوحًا. ولهذا أهمية خاصة في تطبيقات مثل طباعة الصور الفوتوغرافية عالية الجودة وطباعة الأعمال الفنية.

التحكم في معلمات العملية ونتائج التشتيت

يؤثر حجم جسيمات أصباغ الحبر وتوزيع أحجامها في العديد من خصائص المنتج، مثل قوة التلوين أو جودة الطباعة. وفي الطباعة النافثة للحبر، قد تؤدي كمية صغيرة من الجسيمات الأكبر حجمًا إلى عدم استقرار المشتت أو الترسيب أو تعطل فوهة نفث الحبر. ولهذا السبب، يُعدّ التحكم الجيد في عملية تقليل حجم الجسيمات المستخدمة في الإنتاج مهمًا لجودة حبر الطباعة النافثة للحبر.

معالجة المشتتات النانوية لأحبار الطباعة النافثة للحبر ضمن خط الإنتاج

تُستخدم مفاعلات Hielscher بالموجات فوق الصوتية عادةً ضمن خط الإنتاج. ويُضخ حبر الطباعة النافثة للحبر إلى وعاء المفاعل، حيث يتعرض للتجويف بالموجات فوق الصوتية بشدة مضبوطة. وتتحدد مدة التعرض بحجم المفاعل ومعدل تغذية المادة. وتمنع المعالجة بالموجات فوق الصوتية ضمن خط الإنتاج المرور التجاوزي، لأن جميع الجسيمات تمر عبر حجرة المفاعل وفق مسار محدد. وبما أن جميع الجسيمات تتعرض لمعلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية نفسها وللمدة نفسها خلال كل دورة، فإن المعالجة بالموجات فوق الصوتية عادةً ما تُضيّق منحنى التوزيع وتُزيحه بدلًا من توسيعه. وينتج عن التشتيت بالموجات فوق الصوتية توزيعات متماثلة نسبيًا لأحجام الجسيمات. وبوجه عام، لا تُلاحظ في العينات المعالجة بالموجات فوق الصوتية ظاهرة امتداد الذيل إلى اليمين – أي الالتواء السلبي للمنحنى الناتج عن الانزياح نحو المواد الخشنة («ذيل» على اليمين).

التشتيت في درجات حرارة مضبوطة: تبريد العملية

بالنسبة إلى الأوساط الحاملة الحساسة لدرجة الحرارة، تقدم Hielscher مفاعلات خلايا تدفق مزودة بغلاف تبريد لجميع الأجهزة المختبرية والصناعية. ويمكن تبديد حرارة العملية بفعالية من خلال تبريد الجدران الداخلية للمفاعل.

تُظهر الصور أدناه صبغة أسود الكربون المشتتة باستخدام المسبار فوق الصوتي UIP1000hdT في حبر معالج بالأشعة فوق البنفسجية.

يضمن التشتيت بالموجات فوق الصوتية تقليلًا فعالًا لحجم الجسيمات وتوزيعًا متجانسًا لأصباغ أسود الكربون في الحبر المعالج بالأشعة فوق البنفسجية.

تشتيت أحبار الطباعة النافثة للحبر وتفكيك تكتلاتها على أي نطاق

تصنع Hielscher معدات تشتيت بالموجات فوق الصوتية لمعالجة الأحبار بأي حجم. وتُستخدم المجانسات المختبرية بالموجات فوق الصوتية لأحجام تتراوح من 1.5mL إلى نحو 2L، وهي مثالية لمرحلة البحث والتطوير لتركيبات الأحبار وكذلك لاختبارات الجودة. علاوةً على ذلك، تتيح اختبارات الجدوى في المختبر اختيار حجم المعدات المطلوب للإنتاج التجاري بدقة.
تُستخدم أجهزة التشتيت الصناعية بالموجات فوق الصوتية في الإنتاج لدفعات تتراوح من 0.5 إلى نحو 2000L أو لمعدلات تدفق من 0.1L إلى 20m³ في الساعة. وبخلاف تقنيات التشتيت والطحن الأخرى، يمكن توسيع نطاق المعالجة بالموجات فوق الصوتية بسهولة، إذ يمكن زيادة جميع معلمات العملية المهمة بصورة خطية.

يعرض الجدول أدناه توصيات عامة لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بحسب حجم الدفعة أو معدل التدفق المطلوب معالجته.

 
كيف تعمل أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية؟ – مبدأ عمل التجويف الصوتي
التجويف بالموجات فوق الصوتية عملية تستخدم موجات صوتية عالية التردد لتوليد فقاعات غازية صغيرة في سائل. وعندما تتعرض الفقاعات لضغط مرتفع، يمكن أن تنهار أو تنفجر إلى الداخل، مطلقةً دفعة من الطاقة. ويمكن استخدام هذه الطاقة لتشتيت الجسيمات في السائل وتفتيتها إلى أحجام أصغر.
في التجويف بالموجات فوق الصوتية، تتولد الموجات الصوتية بواسطة محوّل فوق صوتي يُثبّت عادةً على مسبار أو بوق. ويحوّل المحوّل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية على هيئة موجات صوتية، ثم تُنقل هذه الموجات إلى السائل عبر المسبار أو البوق. وعندما تصل الموجات الصوتية إلى السائل، فإنها تولّد موجات ضغط مرتفع يمكن أن تتسبب في انفجار الفقاعات الغازية إلى الداخل.
توجد تطبيقات محتملة عديدة للتجويف بالموجات فوق الصوتية في عمليات التشتيت، تشمل إنتاج المستحلبات وتشتيت الأصباغ والمواد المالئة وتفكيك تكتلات الجسيمات. ويمكن أن يكون التجويف بالموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة لتشتيت الجسيمات، لأنه يستطيع توليد قوى قص عالية وإدخال الطاقة، كما يمكن التحكم بدقة في معلمات العملية المهمة الأخرى، مثل درجة الحرارة والضغط، مما يتيح تكييف العملية وفق الاحتياجات المحددة للتطبيق. ويُعدّ هذا التحكم الدقيق في العملية إحدى المزايا البارزة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية، إذ يمكن إنتاج منتجات عالية الجودة بصورة موثوقة وقابلة للتكرار، مع تجنب أي تدهور غير مرغوب فيه للجسيمات أو السائل.

متين وسهل التنظيف

يتكون المفاعل بالموجات فوق الصوتية من وعاء المفاعل والسونوترود فوق الصوتي. والسونوترود هو الجزء الوحيد المعرض للتآكل، ويمكن استبداله بسهولة خلال دقائق. وتتيح حواف التثبيت التي تفصل الاهتزازات تركيب السونوترود بأي اتجاه في أوعية مفتوحة أو مغلقة قابلة للضغط، أو في خلايا تدفق. ولا حاجة إلى محامل. وتُصنع مفاعلات خلايا التدفق عمومًا من الفولاذ المقاوم للصدأ، وتتميز بأشكال هندسية بسيطة، ويمكن تفكيكها ومسحها بسهولة. ولا توجد فتحات صغيرة أو زوايا مخفية.

التنظيف بالموجات فوق الصوتية في موضع التشغيل

تكون شدة الموجات فوق الصوتية المستخدمة في تطبيقات التشتيت أعلى بكثير من تلك المستخدمة في التنظيف المعتاد بالموجات فوق الصوتية. لذلك، يمكن استخدام القدرة فوق الصوتية للمساعدة في التنظيف أثناء الغسل بالتدفق والشطف، إذ يزيل التجويف بالموجات فوق الصوتية الجسيمات وبقايا السوائل من السونوترود ومن جدران خلية التدفق.