Ултразвуково намаляване на размера на частиците в мастила (напр. за мастиленоструен печат)

Ултразвуковата кавитация е ефективно средство за диспергиране и микросмилане (мокро смилане) на пигменти за мастила. Ултразвуковите диспергатори се използват успешно както в научните изследвания, така и в промишленото производство на UV мастила и мастила на водна основа или на основата на разтворители за мастиленоструен печат.

Нанодиспергирани мастила за мастиленоструен печат

Ултразвукът е много ефективен за намаляване на размера на частиците в диапазона от 500µm до приблизително 10nm.
Когато ултразвуковата обработка се използва за диспергиране на наночастици в мастило за мастиленоструен печат, цветовият обхват, трайността и качеството на печат могат да се подобрят значително. Ето защо ултразвуковите устройства със сонда се използват широко при производството на мастила за мастиленоструен печат, съдържащи наночастици, специални мастила (напр. проводими мастила, мастила за 3D печат, мастила за татуировки) и бои.
 

Графиките по-долу показват пример за сравнение между черни пигменти в мастило за мастиленоструен печат без ултразвукова обработка и такива, диспергирани с ултразвук. Ултразвуковата обработка е извършена с ултразвуковата сонда UIP1000hdT. Резултатът от ултразвуковата обработка е видимо по-малък размер на частиците и много тясно разпределение на частиците по размер.

Ултразвуковото диспергиране води до значително по-малки и по-еднородни по размер пигментни частици в мастилото. (зелена графика: преди ултразвукова обработка – червена графика: след ултразвукова обработка)

Как ултразвуковото диспергиране подобрява качеството на мастилата за мастиленоструен печат?

Ултразвуковите устройства с висок интензитет са високоефективни за диспергиране, намаляване на размера и равномерно разпределение на наночастици.
Това означава, че диспергирането на наночастици с ултразвук в мастило за мастиленоструен печат може да подобри неговите експлоатационни характеристики и трайност. Наночастиците са много малки частици с размери в диапазона от 1 до 100 нанометра и имат уникални свойства, които могат да подобрят мастилото за мастиленоструен печат по няколко начина.

• Първо, наночастиците могат да подобрят цветовия обхват на мастилото за мастиленоструен печат, който представлява диапазона от цветове, които могат да бъдат възпроизведени. Когато наночастиците са равномерно диспергирани с ултразвуково устройство със сонда, мастилото съответно дава по-живи и наситени цветове. Това се дължи на способността на наночастиците да разсейват и отразяват светлината по начини, недостъпни за традиционните багрила и пигменти, което води до подобрено цветопредаване.
• Второ, хомогенно диспергираните наночастици могат да повишат устойчивостта на мастилото за мастиленоструен печат на избледняване, вода и размазване. Това се дължи на способността на наночастиците да се свързват по-здраво с хартията или друга печатна основа, създавайки по-устойчиво и по-дълготрайно изображение. Освен това наночастиците могат да предотвратят разтичането на мастилото в хартията, което може да причини размазване и да намали резкостта на отпечатаното изображение.
• Накрая, ултразвуково диспергираните наночастици могат също да подобрят качеството и разделителната способност на печата с мастило за мастиленоструен печат. Ултразвуковите диспергатори са изключително ефективни при смилане и смесване на наночастици в течности. Благодарение на по-малките частици мастилото може да създава по-фини и по-прецизни линии, което води до по-резки и по-ясни изображения. Това е особено важно при приложения като висококачествен фотопечат и печат на художествени произведения.

Контрол върху параметрите на процеса и резултатите от диспергирането

Размерът на частиците и разпределението на частиците по размер при пигментите за мастила влияят върху много характеристики на продукта, като оцветяващата способност или качеството на печат. При мастиленоструен печат малко количество по-големи частици може да доведе до нестабилност на дисперсията, утаяване или отказ на мастиленоструйната дюза. Поради тази причина добрият контрол върху използвания в производството процес за намаляване на размера на частиците е важен за качеството на мастилото за мастиленоструен печат.

Обработка в поточна линия на нанодисперсии за мастила за мастиленоструен печат

Ултразвуковите реактори на Hielscher обикновено се използват в поточна линия. Мастилото за мастиленоструен печат се изпомпва в реакторния съд. Там то се подлага на ултразвукова кавитация с контролиран интензитет. Времето на въздействие се определя от обема на реактора и дебита на подавания материал. Ултразвуковата обработка в поточна линия елиминира заобикалянето на зоната на обработка, тъй като всички частици преминават през реакторната камера по определен път. Тъй като всички частици се подлагат на еднакви параметри на ултразвуковата обработка за едно и също време по време на всеки цикъл, ултразвуковата обработка обикновено стеснява и измества кривата на разпределението, вместо да я разширява. Ултразвуковото диспергиране създава относително симетрични разпределения на частиците по размер. Като цяло при пробите, обработени с ултразвук, не се наблюдава опашка вдясно – отрицателна асиметрия на кривата, причинена от изместване към по-едрите материали („опашка“ вдясно).

Диспергиране при контролирани температури: охлаждане на процеса

За чувствителни към температурата носещи среди Hielscher предлага реактори с проточни клетки с охлаждаща риза за всички лабораторни и промишлени устройства. Чрез охлаждане на вътрешните стени на реактора топлината от процеса може да се отвежда ефективно.

Изображенията по-долу показват пигмент от технически въглерод, диспергиран с ултразвуковата сонда UIP1000hdT в UV мастило.

Ултразвуковото диспергиране осигурява ефективно намаляване на размера на частиците и равномерно разпределение на пигментите от технически въглерод в UV мастило.

Диспергиране и деагломерация на мастила за мастиленоструен печат във всякакъв мащаб

Hielscher произвежда оборудване за ултразвуково диспергиране за обработка на мастила с всякакъв обем. Ултразвуковите лабораторни хомогенизатори се използват за обеми от 1,5mL до приблизително 2L и са идеални за етапа на научноизследователска и развойна дейност при разработването на рецептури за мастила, както и за изпитвания на качеството. Освен това лабораторните изпитвания за осъществимост позволяват точно да се избере необходимият размер на оборудването за търговско производство.
Промишлените ултразвукови диспергатори се използват в производството за партиди от 0,5 до приблизително 2000L или при дебити от 0,1L до 20m³ на час. За разлика от други технологии за диспергиране и смилане, ултразвуковата обработка може лесно да се мащабира към по-голям капацитет, тъй като всички важни параметри на процеса могат да се мащабират линейно.

Таблицата по-долу показва общи препоръки за ултразвукови устройства в зависимост от обема на партидата или дебита при обработка.

 
Как работят ултразвуковите диспергатори? – Принципът на действие на акустичната кавитация
Ултразвуковата кавитация е процес, който използва високочестотни звукови вълни за създаване на малки газови мехурчета в течност. Когато мехурчетата са подложени на високо налягане, те могат да колапсират или да имплодират, освобождавайки рязко енергия. Тази енергия може да се използва за диспергиране на частици в течността, раздробявайки ги до по-малки размери.
При ултразвуковата кавитация звуковите вълни се генерират от ултразвуков преобразувател, който обикновено е монтиран върху сонда или сонотрод. Преобразувателят превръща електрическата енергия в механична енергия под формата на звукови вълни, които след това се предават в течността чрез сондата или сонотрода. Когато звуковите вълни достигнат течността, те създават вълни с високо налягане, които могат да предизвикат имплозия на газовите мехурчета.
Ултразвуковата кавитация има няколко потенциални приложения в процесите на диспергиране, включително производство на емулсии, диспергиране на пигменти и пълнители и деагломерация на частици. Ултразвуковата кавитация може да бъде ефективен начин за диспергиране на частици, тъй като може да генерира големи сили на срязване и висок енергиен внос, а други важни параметри на процеса, като температурата и налягането, могат да се контролират прецизно, което позволява процесът да се адаптира към специфичните нужди на приложението. Този прецизен контрол на процеса е едно от съществените предимства на ултразвуковата обработка, тъй като висококачествени продукти могат да се произвеждат надеждно и възпроизводимо и се избягва всякакво нежелано разграждане на частиците или течността.

Здрави и лесни за почистване

Ултразвуковият реактор се състои от реакторния съд и ултразвуковия сонотрод. Сонотродът е единствената част, която е подложена на износване, и може лесно да се смени за минути. Фланците за изолиране на трептенията позволяват монтаж на сонотрода във всякаква ориентация в отворени или затворени съдове, които могат да се поставят под налягане, или в проточни клетки. Не са необходими лагери. Реакторите с проточни клетки обикновено са изработени от неръждаема стомана, имат проста геометрия и могат лесно да се разглобяват и избърсват отвътре. Няма малки отвори или скрити ъгли.

Ултразвуково почистване на място

Ултразвуковият интензитет, използван при приложения за диспергиране, е много по-висок от този при обичайното ултразвуково почистване. Поради това ултразвуковата мощност може да се използва за подпомагане на почистването при промиване и изплакване, тъй като ултразвуковата кавитация отстранява частици и остатъци от течности от сонотрода и от стените на проточната клетка.