Ultrazvučno smanjenje veličine čestica tinte (npr. za inkjet)

Ultrazvučna kavitacija je efikasno sredstvo za dispergiranje i mikromljevenje (mokro mljevenje) pigmenata tinte. Ultrazvučni dispergatori se uspješno koriste u istraživanju, kao i u industrijskoj proizvodnji inkjet tinti na bazi UV-a, vode ili otapala.

Nanodisperzne inkjet tinte

Ultrazvuk je vrlo efikasan u smanjenju veličine čestica u rasponu od 500µm do približno 10nm.
Kada se ultrazvučna obrada koristi za dispergiranje nanočestica u inkjet tinti, gamut boja, postojanost i kvalitet ispisa tinte mogu se znatno poboljšati. Zbog toga se ultrazvučni uređaji sa sondom (sonikatori) široko koriste u proizvodnji inkjet tinti koje sadrže nanočestice, specijalnih tinti (npr. provodljivih tinti, tinti za 3D ispis, tinti za tetoviranje) i boja.

Grafikoni ispod prikazuju primjer neobrađenih (bez sonikacije) naspram ultrazvučno dispergiranih crnih pigmenata u inkjet tinti. Ultrazvučna obrada provedena je ultrazvučnom sondom UIP1000hdT. Rezultat ultrazvučne obrade je vidljivo manja veličina čestica i vrlo uska raspodjela veličine čestica.

Ultrazvučno dispergiranje daje znatno manje i ujednačenije pigmente tinte. (zeleni grafikon: prije sonikacije – crveni grafikon: nakon sonikacije)

Kako ultrazvučno dispergiranje poboljšava kvalitet inkjet tinte?

Visokointenzivni ultrazvučni uređaji (sonikatori) vrlo su efikasni za dispergiranje, smanjenje veličine i ujednačenu raspodjelu nanočestica.
To znači da dispergiranje nanočestica ultrazvukom u inkjet tinti može poboljšati njene performanse i postojanost. 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 gamut boja inkjet tinte, što se odnosi na raspon boja koje se mogu proizvesti. Kada su nanočestice ujednačeno dispergirane ultrazvučnim uređajem sa sondom, tinta posljedično pokazuje življe i zasićenije boje. To je zato što nanočestice mogu raspršivati i reflektirati svjetlost na načine na koje tradicionalne boje i pigmenti ne mogu, što dovodi do poboljšane reprodukcije boja.
• Drugo, homogeno dispergirane nanočestice mogu povećati otpornost inkjet tinte na blijeđenje, vodu i razmazivanje. To je zato što se nanočestice mogu čvršće vezati za papir ili drugu podlogu, stvarajući trajniju i dugotrajniju sliku. Osim toga, nanočestice mogu spriječiti da tinta prodire u papir, što može uzrokovati razmazivanje i smanjiti oštrinu ispisane slike.
• Na kraju, ultrazvučno dispergirane nanočestice također mogu poboljšati kvalitet ispisa i rezoluciju inkjet tinte. Ultrazvučni dispergatori su izuzetno efikasni kada je riječ o mljevenju i miješanju nanočestica u tečnostima. Korištenjem manjih čestica tinta može stvoriti finije i preciznije linije, što rezultira oštrijim i jasnijim slikama. To je posebno važno u primjenama kao što su visokokvalitetni foto ispis i ispis likovnih umjetničkih djela.

Kontrola nad procesnim parametrima i rezultatima dispergiranja

Veličina čestica i raspodjela veličine čestica pigmenata tinte utječu na mnoge karakteristike proizvoda, kao što su jačina obojenja ili kvalitet ispisa. Kada je riječ o inkjet ispisu, mala količina većih čestica može dovesti do nestabilnosti disperzije, sedimentacije ili otkaza inkjet mlaznice. Zbog toga je za kvalitet inkjet tinte važno imati dobru kontrolu nad procesom smanjenja veličine čestica koji se koristi u proizvodnji.

Inline obrada nanodisperzija za inkjet tinte

Hielscher ultrazvučni reaktori se obično koriste inline. Inkjet tinta se pumpa u posudu reaktora. Tamo je izložena ultrazvučnoj kavitaciji kontrolirane intenzivnosti. Vrijeme izlaganja rezultat je zapremine reaktora i protoka materijala. Inline ultrazvučna obrada (sonikacija) eliminira zaobilaženje (by-passing) jer sve čestice prolaze kroz komoru reaktora definiranim putem. Budući da su sve čestice tokom svakog ciklusa izložene identičnim parametrima sonikacije u istom trajanju, ultrazvučna obrada obično sužava i pomjera krivu raspodjele umjesto da je proširuje. Ultrazvučno dispergiranje daje relativno simetrične raspodjele veličine čestica. Općenito, desni rep (right tailing) – negativna asimetrija krive uzrokovana pomakom prema grubljim materijalima („rep“ na desnoj strani) – ne može se uočiti kod sonikiranih uzoraka.

Dispergiranje pri kontroliranim temperaturama: hlađenje procesa

Za nosioce (vehicles) osjetljive na temperaturu, Hielscher nudi protočne ćelije reaktora s omotačem za sve laboratorijske i industrijske uređaje. Hlađenjem unutrašnjih zidova reaktora procesna toplota može se efikasno odvesti.

Slike ispod prikazuju pigment čađe (carbon black) dispergiran ultrazvučnom sondom UIP1000hdT u UV tinti.

Ultrazvučno dispergiranje osigurava efikasno smanjenje veličine čestica i ujednačenu raspodjelu pigmenata čađe u UV tinti.

Dispergiranje i deaglomeracija inkjet tinti u bilo kojoj skali

Hielscher proizvodi ultrazvučnu opremu za dispergiranje za obradu tinti u bilo kojoj zapremini. Ultrazvučni laboratorijski homogenizatori koriste se za zapremine od 1,5mL do približno 2L i idealni su za fazu istraživanja i razvoja (R+D) formulacija tinti, kao i za ispitivanja kvaliteta. Nadalje, ispitivanja izvodljivosti u laboratoriju omogućavaju tačan odabir potrebne veličine opreme za komercijalnu proizvodnju.
Industrijski ultrazvučni dispergatori koriste se u proizvodnji za šarže od 0,5 do približno 2000L ili protoke od 0,1L do 20m³ na sat. Za razliku od drugih tehnologija dispergiranja i mljevenja, ultrazvučna obrada može se lako skalirati jer se svi važni procesni parametri mogu skalirati linearno.

Tabela ispod prikazuje opće preporuke za ultrazvučne uređaje ovisno o zapremini šarže ili protoku koji se obrađuje.

 
Kako rade ultrazvučni dispergatori? – Princip rada akustične kavitacije
Ultrazvučna kavitacija je proces koji koristi visokofrekventne zvučne talase za stvaranje malih mjehurića plina u tečnosti. Kada su mjehurići izloženi visokom pritisku, mogu kolabirati ili implodirati, oslobađajući nagli rafal energije. Ta se energija može iskoristiti za dispergiranje čestica u tečnosti, razlažući ih na manje veličine.
Kod ultrazvučne kavitacije zvučne talase stvara ultrazvučni pretvarač (transduktor), koji je obično montiran na sondu ili rog (horn). Pretvarač pretvara električnu energiju u mehaničku energiju u obliku zvučnih talasa, koji se zatim prenose u tečnost putem sonde ili roga. Kada zvučni talasi dođu do tečnosti, stvaraju talase visokog pritiska koji mogu uzrokovati implodiranje mjehurića plina.
Postoji nekoliko potencijalnih primjena ultrazvučne kavitacije u procesima dispergiranja, uključujući proizvodnju emulzija, dispergiranje pigmenata i punila te deaglomeraciju čestica. Ultrazvučna kavitacija može biti efikasan način dispergiranja čestica jer može stvarati visoke smične sile i unos energije, a drugi važni procesni parametri, kao što su temperatura i pritisak, mogu se precizno kontrolirati, što omogućava prilagođavanje procesa specifičnim potrebama primjene. Ta precizna kontrola procesa jedna je od istaknutih prednosti ultrazvučne obrade (sonikacije), jer se visokokvalitetni proizvodi mogu pouzdano i reproducibilno proizvoditi, a svako neželjeno razlaganje čestica ili tečnosti se izbjegava.

Robusno i lako za čišćenje

Ultrazvučni reaktor sastoji se od posude reaktora i ultrazvučne sonotrode. To je jedini dio koji je podložan habanju i može se lako zamijeniti u roku od nekoliko minuta. Prirubnice za odvajanje oscilacija omogućavaju montiranje sonotrode u otvorene ili zatvorene posude pod pritiskom ili protočne ćelije u bilo kojem položaju. Ležajevi nisu potrebni. Reaktori s protočnom ćelijom općenito su izrađeni od nehrđajućeg čelika, imaju jednostavne geometrije i mogu se lako rastaviti i obrisati. Nema malih otvora ni skrivenih uglova.

Ultrazvučno čišćenje na mjestu (Cleaner in Place)

Ultrazvučna intenzivnost koja se koristi za primjene dispergiranja znatno je veća nego kod tipičnog ultrazvučnog čišćenja. Stoga se ultrazvučna snaga može koristiti kao pomoć pri čišćenju tokom ispiranja i protresanja, jer ultrazvučna kavitacija uklanja čestice i ostatke tečnosti sa sonotrode i sa zidova protočne ćelije.