الموجات فوق الصوتية للتشتيت والطحن: الدهانات والأصباغ

تُعرف الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بتأثيراتها القوية في الطحن والتشتيت، والتي يمكن التحكم فيها بدقة. وهذا يجعل المجانسات بالموجات فوق الصوتية مثالية لإنتاج معاجين الأصباغ وتركيبات الدهانات. توفر أجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية توزيعًا متجانسًا للغاية لأحجام الجسيمات في النطاقين الميكروني والنانوي. عالج تيارات كبيرة الحجم وعالية اللزوجة باستخدام أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لتحقيق ترطيب وتشتيت وتفكيك للتكتلات وطحن متجانس!

تصنيع الدهانات بالموجات فوق الصوتية

حسّن دهاناتك وألوانك وطلاءاتك بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية:

• التركيبة: سواء كانت التركيبة عالية اللزوجة أو ذات محتوى مرتفع من الجسيمات أو مائية الأساس أو قائمة على المذيبات – يمكنك معالجة أي تركيبة باستخدام أجهزة Hielscher الصناعية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية ضمن خط الإنتاج.
• الأحجام الميكرونية والنانوية: تقلل قوى القص العالية الناتجة عن التجويف الصوتي أقطار الجسيمات إلى أحجام متناهية الصغر وتوفر تشتيتًا متجانسًا. ويتيح ضبط معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية وفقًا لمتطلبات الجسيمات والتركيبة إنتاج أصباغ نانوية الحجم بصورة موثوقة.
• الخصائص البصرية: للحصول على الخصائص البصرية الصحيحة، يجب التحكم في حجم جسيمات الصبغة. عادةً ما ترتبط العتامة بحجم الجسيمات: كلما صغر حجم الجسيمات، زادت العتامة. على سبيل المثال، يُعالج TiO2 تحديدًا للوصول إلى حجم جسيمات يتراوح من 0.20 إلى 0.3 ميكرون، وهو ما يعادل تقريبًا نصف الطول الموجي للضوء. تقلل المعالجة بالموجات فوق الصوتية حجم أصباغ TiO2 إلى الحجم الأمثل، بحيث تتحقق أقصى قدرة على التغطية.
• الجسيمات عالية الأداء: تؤدي أحجام الجسيمات الأصغر إلى زيادة تشبع اللون واتساقه وثباته. وتتيح قوى الموجات فوق الصوتية القوية، مع إمكانية التحكم فيها بدقة، إنتاج جسيمات نانوية معدلة ومُضفاة عليها وظائف، مثل الجسيمات المطلية وSWNTs وMWCNTs والجسيمات ذات البنية المكوّنة من نواة وغلاف. تتمتع هذه الجسيمات بخصائص فريدة وترتقي بتركيبات الدهانات أو الطلاءات إلى مستوى جديد من الجودة والأداء الوظيفي (مثل مقاومة الأشعة فوق البنفسجية، ومقاومة الخدش، والمتانة، والالتصاق، والمقاومة العالية للحرارة، وانعكاسية الأشعة تحت الحمراء والإشعاع الشمسي).
• الجسيمات المعدلة: تتميز الأصباغ المعدلة سطحيًا بلزوجة منخفضة جدًا عند مستويات تحميل مرتفعة من الأصباغ (2.5cP عند محتوى مواد صلبة قدره 10%)، وثبات فائق للمعلّق، ونقاوة عالية. ويسهّل إضفاء الوظائف على الجسيمات بمساعدة الموجات فوق الصوتية تخليق أصباغ عالية الأداء ذات خصائص خاصة.

تُظهر معاجين الأصباغ التي تُطحن وتُشتت باستخدام التجويف بالموجات فوق الصوتية وقوى القص العالية انخفاضًا ملحوظًا في الحجم وتوزيعًا متجانسًا. يوضح الرسم البياني أعلاه ازدياد انخفاض الحجم مع زيادة الطاقة فوق الصوتية.

لإنتاج الدهانات، يجب مزج المكونات، مثل الأصباغ والمواد الرابطة/ المواد المكوّنة للأغشية والمخففات/ المذيبات والراتنجات ومواد الحشو والمواد المضافة، معًا للحصول على تركيبة متجانسة. الأصباغ هي المكوّن الذي يحدد لون الدهان. وأهم صبغة بيضاء هي TiO2، التي يجب طحنها للوصول إلى حجم جسيمات أمثل يتراوح قطره بين 0.2 و0.3 ميكرون، لإظهار الدرجة المطلوبة من البياض والسطوع والعتامة ومعامل انكسار مرتفع جدًا. توفر قوى القص الناتجة عن الموجات فوق الصوتية تفكيكًا للتكتلات وتشتيتًا لجسيمات TiO2 بفعالية عالية وكفاءة عالية في استخدام الطاقة (انظر الصورة أدناه).

صورة بالمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لمعلّق جسيمات TiO2 النانوية المشتتة بالموجات فوق الصوتية بتركيزات مختلفة من المواد الصلبة. أُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP1000hdT
يسارًا: الطاقة فوق الصوتية المُدخلة 1.8 × 10⁵ J/L – يمينًا: الطاقة فوق الصوتية المُدخلة 5.4 × 10⁵ J/L
(الدراسة والصور: ©Fasaki et al., 2012)

 
يعزز الطحن والتشتيت بالموجات فوق الصوتية جودة الدهان من خلال تحسين قوته اللونية وكثافته ونعومة طحنه وتشتيته وخصائصه الريولوجية.

شروط التشتيت والطحن بالموجات فوق الصوتية

تعتمد جودة الدهانات والطلاءات على التشتيت المتجانس للأصباغ. توفر Hielscher Ultrasonics معدات فعالة للطحن والسحق من أجل تشتيت الدهانات، وخصوصًا للتركيبات ذات المحتوى المرتفع من الأصباغ. تعتمد آلية أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية في تطبيقات الطحن والسحق وتفكيك التكتلات والتشتيت أساسًا على مبدأ القص الناتج عن التجويف بالموجات فوق الصوتية. تنشأ قوى القص التجويفية اللازمة لفصل الجسيمات بفعل فروق الضغط العالية والبؤر الساخنة الموضعية والنفاثات السائلة، مما يؤدي إلى تفتت الجسيمات نتيجة التصادم فيما بينها.
تتمتع أجهزة التشتيت الصناعية بالموجات فوق الصوتية، مثل UIP16000hdT بقدرة 16,000 واط لكل مسبار فوق صوتي، بالقدرة على معالجة تيارات كبيرة الحجم من الدهانات والطلاءات.

يُظهر الدهان الطباشيري المعالج بالموجات فوق الصوتية على مقياس نعومة الطحن تجانسًا تامًا في تفكيك التكتلات وتوزيع أحجام جسيمات الأصباغ

تشتيت الجسيمات النانوية

غالبًا ما يكون الطحن والتشتيت بالموجات فوق الصوتية الطريقة الوحيدة لمعالجة الجسيمات النانوية بكفاءة بهدف الحصول على جسيمات أولية مشتتة بصورة منفردة. يؤدي صغر حجم الجسيمات الأولية إلى زيادة مساحة السطح، ويرتبط بظهور خصائص ووظائف فريدة للجسيمات. وفي الوقت نفسه، يرتبط صغر حجم الجسيمات بطاقة سطحية عالية تزيد من شدة التجمع والتفاعلية، مما يستلزم قوى التشتيت الشديدة الناتجة عن الموجات فوق الصوتية لتشتيت الجسيمات النانوية بصورة متجانسة في التركيبة.
علاوةً على ذلك، يمكن للمعالجة السطحية بالموجات فوق الصوتية تعديل الجسيمات النانوية، مما يؤدي إلى تحسين قابلية التشتيت وثباته والكراهية للماء وغيرها من الخصائص.
أوصى الباحثون بطريقة التشتيت بالموجات فوق الصوتية للجسيمات النانوية بوصفها الحل المفضل، “لأن المادة المشتتة بطريقة الموجات فوق الصوتية أنقى بكثير من المادة الناتجة عن الطحن بالخرز.” [Kim et al. 2010].

تتمتع تقنية التشتيت بالموجات فوق الصوتية بمزايا عديدة مقارنةً بتقنيات الطحن التقليدية، مثل المطاحن ثلاثية الأسطوانات والمطاحن الكروية ومطاحن أوساط الطحن.

اقرأ المزيد عن تجنيس الأصباغ والملونات وتشتيتها بالموجات فوق الصوتية لإنتاج الدفعات المركزة وتركيبات الدهانات!

المؤلفات / المراجع

• 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.