Ultrazvučno smanjenje veličine mastila (npr. za inkjet)

Ultrazvučna kavitacija je efikasno sredstvo za dispergovanje i mikrobrušenje (mokro mlevenje) pigmenata mastila. Ultrazvučni disperzatori se uspješno koriste u istraživanju, kao iu industrijskoj proizvodnji inkjet mastila na bazi UV, vode ili rastvarača.

Nano-disperzne inkjet mastila

Ultrazvuk je vrlo efikasan u smanjenju veličine čestica u rasponu od 500µm do cca. 10nm.
Kada se ultrazvuk koristi za raspršivanje nanočestica u inkjet mastilu, raspon boja mastila, izdržljivost i kvalitet štampe mogu se značajno poboljšati. Stoga se ultrasonikatori tipa sonde široko koriste u proizvodnji inkjet mastila koje sadrže nanočestice, specijalnih mastila (npr. provodnih mastila, mastila za 3D štampanje, mastila za tetovaže) i boja.
 

Grafikoni ispod pokazuju primjer za nesonificirane naspram ultrazvučno dispergovane crne pigmente u inkjet tinti. Ultrazvučni tretman je izveden ultrazvučnom sondom UIP1000hdT. Rezultat ultrazvučnog tretmana je vidljivo manja veličina čestica i vrlo uska distribucija veličine čestica.

Ultrazvučna disperzija rezultira znatno manjim i ujednačenijim pigmentima mastila. (zeleni grafikon: prije ultrazvuka – crveni grafikon: nakon sonikacije)

Kako ultrazvučna disperzija poboljšava kvalitet inkjet mastila?

Ultrasonikatori visokog intenziteta su visoko efikasni za disperziju, smanjenje veličine i ujednačenu distribuciju nanočestica.
To znači da ubrizgavanje nanočestica ultrazvukom u inkjet mastilo može poboljšati njegove performanse i izdržljivost. Nanočestice su vrlo male čestice veličine u rasponu od 1 do 100 nanometara i imaju jedinstvena svojstva koja mogu poboljšati inkjet tintu na nekoliko načina.

• Prvo, nanočestice mogu poboljšati raspon boja inkjet tinte, što se odnosi na raspon boja koje se mogu proizvesti. Kada se nanočestice ravnomjerno raspršuju ultrazvučnim aparatom tipa sonde, tinta posljedično pokazuje življe i zasićenije boje. To je zato što nanočestice mogu raspršiti i reflektirati svjetlost na način na koji tradicionalne boje i pigmenti ne mogu, što dovodi do poboljšane reprodukcije boja.
• Drugo, homogeno dispergovane nanočestice mogu povećati otpornost inkjet mastila na blijeđenje, vodu i razmazivanje. To je zato što se nanočestice mogu jače vezati za papir ili drugu podlogu, stvarajući trajniju i dugotrajniju sliku. Osim toga, nanočestice mogu spriječiti curenje mastila u papir, što može uzrokovati razmazivanje i smanjiti oštrinu odštampane slike.
• Na kraju, ultrazvučno dispergovane nanočestice takođe mogu poboljšati kvalitet štampe i rezoluciju inkjet mastila. Ultrazvučni disperzatori su izuzetno efikasni kada je u pitanju mlevenje i mešanje nanočestica u tečnostima. Korištenjem manjih čestica, tinta može stvoriti finije i preciznije linije, što rezultira oštrijim i jasnijim slikama. Ovo je posebno važno u aplikacijama kao što su štampanje fotografija visokog kvaliteta i likovno štampanje.

Kontrola parametara procesa i rezultata disperzije

Veličina čestica i distribucija veličine čestica pigmenta mastila utiču na mnoge karakteristike proizvoda, kao što su jačina nijansi ili kvalitet štampe. Kada je u pitanju inkjet štampa, mala količina većih čestica može dovesti do nestabilnosti disperzije, sedimentacije ili kvara inkjet mlaznice. Iz tog razloga je važno za kvalitet inkjet mastila imati dobru kontrolu nad procesom smanjenja veličine koji se koristi u proizvodnji.

Inline obrada nano-disperzija za inkjet mastila

Hielscher ultrazvučni reaktori se obično koriste u liniji. Inkjet mastilo se pumpa u reaktorsku posudu. Tamo se izlaže ultrazvučnoj kavitaciji kontrolisanog intenziteta. Vrijeme izlaganja rezultat je zapremine reaktora i brzine dodavanja materijala. Inline sonikacija eliminira zaobilaženje jer sve čestice prolaze kroz reaktorsku komoru slijedeći definiranu putanju. Kako su sve čestice izložene identičnim parametrima sonikacije u isto vrijeme tijekom svakog ciklusa, ultrazvučna obrada obično sužava i pomiče krivulju distribucije umjesto da je širi. Ultrazvučna disperzija proizvodi relativno simetričnu raspodjelu veličine čestica. Općenito, desni rep – negativan nagib krivulje uzrokovan prelaskom na grube materijale („rep“ desno) – ne može se uočiti na soniciranim uzorcima.

Disperzija pod kontrolisanim temperaturama: hlađenje procesa

Za vozila osjetljiva na temperaturu, Hielscher nudi reaktore s protočnim ćelijama s omotačem za sve laboratorijske i industrijske uređaje. Hlađenjem unutrašnjih zidova reaktora, procesna toplota se može efikasno raspršiti.

Slike ispod prikazuju pigment čađe raspršene ultrazvučnom sondom UIP1000hdT u UV mastilu.

Ultrazvučna disperzija osigurava efektivno smanjenje veličine čestica i ujednačenu distribuciju pigmenata čađe u UV mastilu.

Raspršivanje i deaglomeracija inkjet mastila u bilo kojoj skali

Hielscher proizvodi opremu za ultrazvučno raspršivanje za obradu mastila bilo koje zapremine. Ultrazvučni laboratorijski homogenizatori se koriste za zapremine od 1,5 mL do cca. 2L i idealni su za R+D fazu formulacija mastila, kao i za testiranje kvaliteta. Nadalje, test izvodljivosti u laboratoriji omogućava da se precizno odabere potrebna veličina opreme za komercijalnu proizvodnju.
Industrijski ultrazvučni disperzatori se koriste u proizvodnji za serije od 0,5 do cca 2000L ili protoka od 0,1L do 20m³ na sat. Za razliku od drugih tehnologija za raspršivanje i mljevenje, ultrasonication se može lako povećati jer se svi važni parametri procesa mogu linearno skalirati.

Donja tabela prikazuje opšte preporuke ultrazvučnog aparata u zavisnosti od zapremine serije ili protoka koji se obrađuje.

 
Kako rade ultrazvučni disperzatori? – Princip rada akustične kavitacije
Ultrazvučna kavitacija je proces koji koristi visokofrekventne zvučne valove za stvaranje malih mjehurića plina u tekućini. Kada su mjehurići podvrgnuti visokom pritisku, mogu se srušiti ili implodirati, oslobađajući nalet energije. Ova energija se može koristiti za raspršivanje čestica u tekućini, razlažući ih na manje veličine.
U ultrazvučnoj kavitaciji, zvučne valove stvara ultrazvučni pretvarač, koji se obično montira na sondu ili trubu. Pretvarač pretvara električnu energiju u mehaničku energiju u obliku zvučnih valova, koji se zatim prenose u tekućinu kroz sondu ili trubu. Kada zvučni talasi stignu do tečnosti, oni stvaraju talase visokog pritiska koji mogu izazvati eksploziju mjehurića plina.
Postoji nekoliko potencijalnih primjena ultrazvučne kavitacije u procesima disperzije, uključujući proizvodnju emulzija, disperziju pigmenata i punila i deaglomeraciju čestica. Ultrazvučna kavitacija može biti efikasan način za raspršivanje čestica jer može generirati velike posmične sile i unos energije, kao i druge važne procesne parametre kao što su temperatura i tlak mogu se precizno kontrolisati, što omogućava prilagođavanje procesa specifičnim potrebama aplikacija. Ova precizna kontrola procesa je jedna od istaknutih prednosti ultrazvuka jer se visokokvalitetni proizvodi mogu proizvoditi pouzdano i reproducibilno i izbjegava se svaka neželjena degradacija čestica ili tekućine.

Robustan i jednostavan za čišćenje

Ultrazvučni reaktor se sastoji od reaktorske posude i ultrazvučne sonotrode. Ovo je jedini dio koji je podložan habanju i može se lako zamijeniti za nekoliko minuta. Prirubnice za razdvajanje oscilacija omogućavaju montažu sonotrode u otvorene ili zatvorene posude pod pritiskom ili protočne ćelije u bilo kojoj orijentaciji. Nisu potrebni ležajevi. Reaktori s protočnim ćelijama općenito su napravljeni od nehrđajućeg čelika i jednostavne su geometrije te se lako mogu rastaviti i obrisati. Nema malih otvora ili skrivenih uglova.

Ultrazvučni čistač na mestu

Intenzitet ultrazvuka koji se koristi za dispergiranje je mnogo veći nego za tipično ultrazvučno čišćenje. Stoga se ultrazvučna snaga može koristiti za pomoć pri čišćenju tokom ispiranja i ispiranja, jer ultrazvučna kavitacija uklanja čestice i ostatke tekućine sa sonotrode i zidova protočne ćelije.