Ultrazvuk za dispergiranje i mljevenje: boje i pigmenti

Snažni ultrazvuk poznat je po intenzivnim i precizno kontrolisanim efektima mljevenja i dispergiranja. Zahvaljujući tome, ultrazvučni homogenizatori idealni su za proizvodnju pigmentnih pasta i formulacija boja. Industrijski ultrazvučni uređaji osiguravaju vrlo ujednačenu raspodjelu veličine čestica u mikronskom i nano području. Obrađujte velike volumene tokova visoke viskoznosti Hielscher sonikatorima kako biste postigli homogeno vlaženje, dispergiranje, deaglomeraciju i mljevenje!

Proizvodnja boja pomoću ultrazvuka

Poboljšajte svoje boje, bojila i premaze ultrazvučnom obradom (sonikacijom):

• Formulacija: Bilo da se radi o visokim viskoznostima, velikom udjelu čestica ili formulacijama na vodenoj ili otapalnoj osnovi – s Hielscher industrijskim inline ultrazvučnim uređajima možete obraditi svaku formulaciju.
• Mikronska i nano veličina: Visoke smične sile koje stvara akustična kavitacija smanjuju čestice na sitne promjere i osiguravaju ujednačenu disperziju. Prilagođavanje parametara ultrazvučne obrade zahtjevima vaših čestica i formulacije omogućava pouzdanu proizvodnju pigmenata nano veličine.
• Optička svojstva: Da bi se dobila ispravna optička svojstva, mora se kontrolisati veličina čestica pigmenta. Obično je opacitet povezan s veličinom čestica: što su čestice finije, opacitet je veći. Na primjer, TiO2 se posebno obrađuje do veličine čestica od 0,20 do 0,3 mikrona, što približno odgovara polovini talasne dužine svjetlosti. Ultrazvučna obrada smanjuje pigmente TiO2 na njihovu optimalnu veličinu, tako da se postiže krajnja pokrivnost.
• Visokoperformansne čestice: Manje veličine čestica rezultiraju većom zasićenošću boje te većom postojanošću i stabilnošću boje. Intenzivne, a ipak precizno kontrolisane ultrazvučne sile omogućavaju proizvodnju modifikovanih i funkcionalizovanih nanočestica, kao što su obložene čestice, SWNT, MWCNT i čestice tipa jezgro-ljuska. Takve čestice pokazuju jedinstvena svojstva i podižu formulacije boja ili premaza na novi nivo kvaliteta i funkcionalnosti (npr. otpornost na UV zračenje, otpornost na grebanje, čvrstoća, prianjanje, visoka otpornost na toplotu, infracrvena i solarna reflektivnost).
• Modifikovane čestice: Pigmenti s modifikovanom površinom imaju vrlo nisku viskoznost pri visokom udjelu pigmenta (2,5cP pri 10% čvrstih tvari), vrhunsku stabilnost suspenzije i visoku čistoću. Ultrazvučno potpomognuta funkcionalizacija čestica omogućava jednostavnu sintezu visokoperformansnih pigmenata posebnih svojstava.

Pigmentne paste koje se melju i dispergiraju pomoću ultrazvučne kavitacije i visokih smičnih sila pokazuju znatno smanjenje veličine i ujednačenu raspodjelu. Gornji dijagram prikazuje sve veće smanjenje veličine pri sve većoj ultrazvučnoj energiji.

Za proizvodnju boje, komponente kao što su pigmenti, veziva/ filmotvorci, razrjeđivači/ otapala, smole, punila i aditivi moraju se pomiješati u homogenu formulaciju. Pigmenti su odlučujuća komponenta koja boji daje njenu nijansu. Najvažniji bijeli pigment je TiO2, koji se mora samljeti do optimalne veličine čestica između 0,2 i 0,3 mikrona u promjeru kako bi pokazao željeni stepen bjeline, sjaja, opaciteta i vrlo visok indeks prelamanja. Ultrazvučne smične sile osiguravaju vrlo djelotvornu i energetski efikasnu deaglomeraciju i dispergiranje čestica TiO2 (vidi sliku ispod).

TEM ultrazvučno dispergirane suspenzije nanočestica TiO2 s različitim koncentracijama čvrstih tvari. Ultrazvučna obrada izvedena je pomoću ultrazvučnog uređaja UIP1000hdT
Lijevo: unos ultrazvučne energije 1,8 × 10⁵ J/L – Desno: unos ultrazvučne energije 5,4 × 10⁵ J/L
(Studija i slike: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ultrazvučno mljevenje i dispergiranje unapređuju kvalitet boje poboljšanjem jačine boje, gustoće, finoće mljevenja, disperzije i reologije.

Uvjeti ultrazvučnog dispergiranja i mljevenja

Kvalitet boja i premaza ovisi o homogenoj disperziji pigmenata. Hielscher Ultrasonics isporučuje djelotvornu opremu za mljevenje i usitnjavanje za dispergiranje boja, posebno za formulacije s visokim udjelom pigmenta. Mehanizam ultrazvučnih dispergatora za primjene mljevenja, usitnjavanja, deaglomeracije i dispergiranja uglavnom se temelji na principu smicanja koje stvara ultrazvučna kavitacija. Kavitacijske smične sile potrebne za razdvajanje čestica nastaju zbog visokih razlika u tlaku, lokalnih vrućih tačaka i tečnih mlazova, što dovodi do razbijanja čestica međusobnim sudarima čestica.
Industrijski ultrazvučni dispergatori, kao što je UIP16000hdT sa 16.000 vati po ultrazvučnoj sondi, imaju kapacitet za obradu velikih volumena tokova boja i premaza.

Ultrazvučno obrađena kredna boja na grindometru pokazuje savršeno ujednačenu deaglomeraciju i raspodjelu veličine čestica pigmenata

Dispergiranje nanočestica

Ultrazvučno usitnjavanje i dispergiranje često je jedina metoda za efikasnu obradu nanočestica radi dobijanja pojedinačno dispergiranih primarnih čestica. Mala veličina primarnih čestica daje veliku površinu i povezana je s ispoljavanjem jedinstvenih svojstava i funkcionalnosti čestica. Istovremeno, manja veličina čestica povezana je s visokom površinskom energijom, što znači izraženiju agregaciju i reaktivnost, pa su intenzivne ultrazvučne sile dispergiranja potrebne da bi se nanočestice homogeno dispergirale u formulaciju.
Nadalje, ultrazvučna površinska obrada može modifikovati nanočestice, što dovodi do poboljšane dispergibilnosti, stabilnosti disperzije, hidrofobnosti i drugih svojstava.
Istraživači su preporučili metodu ultrazvučnog dispergiranja nanočestica kao poželjno rješenje, “jer je materijal dispergiran ultrazvučnom metodom mnogo čistiji od onog proizvedenog mljevenjem u mlinu s perlama.” [Kim et al. 2010].

Tehnika ultrazvučnog dispergiranja ima mnoge prednosti u poređenju s tradicionalnim tehnologijama mljevenja, kao što su mlinovi s tri valjka, kuglični mlinovi ili mlinovi s mljevnim tijelima.

Saznajte više o ultrazvučnoj homogenizaciji i dispergiranju pigmenata i bojila za masterbatcheve i formulacije boja!

Literatura / reference

• 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.