Ultrazvukové zmenšování velikosti částic v inkoustech (např. pro inkjet)

Ultrazvuková kavitace je účinným prostředkem pro dispergaci a mikromletí (mokré mletí) pigmentů inkoustů. Ultrazvukové dispergátory se úspěšně používají ve výzkumu i v průmyslové výrobě inkjetových inkoustů na bázi UV, vody nebo rozpouštědel.

Nanodispergované inkjetové inkousty

Ultrazvuk je velmi účinný při zmenšování velikosti částic v rozsahu od 500µm až po cca 10nm.
Pokud se k dispergaci nanočástic v inkjetovém inkoustu použije sonikace, lze podstatně zlepšit barevný gamut, trvanlivost a kvalitu tisku inkoustu. Proto se sonikátory sondového typu široce používají při výrobě inkjetových inkoustů obsahujících nanočástice, speciálních inkoustů (např. vodivých inkoustů, inkoustů pro 3D tisk, tetovacích inkoustů) a barev.

Níže uvedené grafy ukazují příklad nesonikovaných a ultrazvukem dispergovaných černých pigmentů v inkjetovém inkoustu. Ultrazvukové ošetření bylo provedeno ultrazvukovým sondovým přístrojem UIP1000hdT. Výsledkem ultrazvukového ošetření je viditelně menší velikost částic a velmi úzká distribuce velikosti částic.

Ultrazvuková disperze vede k výrazně menším a rovnoměrnějším pigmentům inkoustu. (zelený graf: před sonikací – červený graf: po sonikaci)

Jak ultrazvuková disperze zlepšuje kvalitu inkjetových inkoustů?

Vysoce intenzivní sonikátory jsou vysoce účinné pro dispergaci, zmenšování velikosti a rovnoměrnou distribuci nanočástic.
To znamená, že dispergace nanočástic ultrazvukem v inkjetovém inkoustu může zlepšit jeho užitné vlastnosti a trvanlivost. Nanočástice jsou velmi malé částice o velikosti v rozsahu 1 až 100 nanometrů a mají jedinečné vlastnosti, které mohou inkjetový inkoust vylepšit několika způsoby.

• Zaprvé, nanočástice mohou zlepšit barevný gamut inkjetového inkoustu, tedy rozsah barev, které lze vytvořit. Jsou-li nanočástice rovnoměrně dispergovány sonikátorem sondového typu, vykazuje inkoust v důsledku toho živější a sytější barvy. Je to proto, že nanočástice mohou rozptylovat a odrážet světlo způsoby, jakých tradiční barviva a pigmenty nejsou schopny, což vede ke zlepšené reprodukci barev.
• Zadruhé, homogenně dispergované nanočástice mohou zvýšit odolnost inkjetového inkoustu vůči blednutí, vodě a rozmazávání. Je to proto, že nanočástice se mohou pevněji vázat k papíru nebo jinému substrátu, čímž vzniká odolnější a trvanlivější obraz. Nanočástice navíc mohou zabránit rozpíjení inkoustu do papíru, které může způsobit rozmazání a snížit ostrost tištěného obrazu.
• Konečně, ultrazvukem dispergované nanočástice mohou také zlepšit kvalitu tisku a rozlišení inkjetového inkoustu. Ultrazvukové dispergátory jsou mimořádně účinné, pokud jde o mletí a míchání nanočástic v kapalinách. Díky použití menších částic může inkoust vytvářet jemnější a přesnější linie, což vede k ostřejším a zřetelnějším obrazům. To je obzvláště důležité v aplikacích, jako je vysoce kvalitní fotografický tisk a tisk uměleckých reprodukcí.

Kontrola nad procesními parametry a výsledky disperze

Velikost částic a distribuce velikosti částic pigmentů inkoustu ovlivňují mnoho vlastností produktu, jako je barvicí mohutnost nebo kvalita tisku. U inkjetového tisku může malé množství větších částic vést k nestabilitě disperze, sedimentaci nebo selhání inkjetových trysek. Z tohoto důvodu je pro kvalitu inkjetového inkoustu důležité mít dobrou kontrolu nad procesem zmenšování velikosti částic používaným ve výrobě.

Inline zpracování nanodisperzí pro inkjetové inkousty

Ultrazvukové reaktory Hielscher se běžně používají v inline režimu. Inkjetový inkoust je čerpán do nádoby reaktoru. Tam je vystaven ultrazvukové kavitaci o řízené intenzitě. Doba expozice je dána objemem reaktoru a rychlostí přívodu materiálu. Inline sonikace vylučuje obtékání, protože všechny částice procházejí reaktorovou komorou po definované dráze. Jelikož jsou všechny částice během každého cyklu vystaveny stejným parametrům sonikace po stejnou dobu, sonikace distribuční křivku obvykle zužuje a posouvá, místo aby ji rozšiřovala. Ultrazvuková disperze vytváří relativně symetrické distribuce velikosti částic. Pravostranné chvostování – negativní šikmost křivky způsobená posunem k hrubým materiálům („chvost“ vpravo) – obecně u sonikovaných vzorků pozorovat nelze.

Disperze za řízených teplot: chlazení procesu

Pro teplotně citlivá nosná média nabízí Hielscher reaktory s průtokovou celou s chladicím pláštěm pro všechna laboratorní i průmyslová zařízení. Chlazením vnitřních stěn reaktoru lze procesní teplo účinně odvádět.

Na obrázcích níže je pigment sazí dispergovaný ultrazvukovým sondovým přístrojem UIP1000hdT v UV inkoustu.

Ultrazvuková disperze zajišťuje účinné zmenšení velikosti částic a rovnoměrnou distribuci pigmentů sazí v UV inkoustu.

Dispergace a deaglomerace inkjetových inkoustů v jakémkoli měřítku

Hielscher vyrábí ultrazvuková dispergační zařízení pro zpracování inkoustů v jakémkoli objemu. Ultrazvukové laboratorní homogenizátory se používají pro objemy od 1,5mL do cca 2L a jsou ideální pro fázi výzkumu a vývoje receptur inkoustů i pro testování kvality. Testy proveditelnosti v laboratoři navíc umožňují přesný výběr potřebné velikosti zařízení pro komerční výrobu.
Průmyslové ultrazvukové dispergátory se ve výrobě používají pro dávky od 0,5 do cca 2000L nebo průtoky od 0,1L do 20m³ za hodinu. Na rozdíl od jiných dispergačních a mlecích technologií lze sonikaci snadno převést do většího měřítka, protože všechny důležité procesní parametry lze škálovat lineárně.

Níže uvedená tabulka uvádí obecná doporučení sonikátorů v závislosti na objemu dávky nebo průtoku, které mají být zpracovány.

 
Jak fungují ultrazvukové dispergátory? – Princip činnosti akustické kavitace
Ultrazvuková kavitace je proces, který využívá vysokofrekvenční zvukové vlny k vytváření malých plynových bublin v kapalině. Když jsou bubliny vystaveny vysokému tlaku, mohou kolabovat neboli implodovat a uvolnit přitom náhlý výboj energie. Tuto energii lze využít k dispergaci částic v kapalině a k jejich rozbití na menší velikosti.
Při ultrazvukové kavitaci jsou zvukové vlny generovány ultrazvukovým měničem, který je obvykle namontován na sondě neboli sonotrodě. Měnič přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii ve formě zvukových vln, které jsou pak přenášeny do kapaliny prostřednictvím sondy neboli sonotrody. Když zvukové vlny dosáhnou kapaliny, vytvářejí vysokotlaké vlny, které mohou způsobit implozi plynových bublin.
Existuje několik potenciálních aplikací ultrazvukové kavitace v dispergačních procesech, včetně výroby emulzí, dispergace pigmentů a plniv a deaglomerace částic. Ultrazvuková kavitace může být účinným způsobem dispergace částic, protože dokáže generovat vysoké smykové síly a vstup energie, a navíc lze přesně řídit další důležité procesní parametry, jako je teplota a tlak, což umožňuje přizpůsobit proces specifickým potřebám dané aplikace. Toto přesné řízení procesu je jednou z výrazných výhod sonikace, protože vysoce kvalitní produkty lze vyrábět spolehlivě a reprodukovatelně a jakékoli nežádoucí degradaci částic nebo kapaliny se zabrání.

Robustní a snadno čistitelné

Ultrazvukový reaktor se skládá z nádoby reaktoru a ultrazvukové sonotrody. Ta je jedinou součástí, která podléhá opotřebení, a lze ji snadno vyměnit během několika minut. Příruby oddělující kmitání umožňují montáž sonotrody do otevřených nebo uzavřených tlakovatelných nádob nebo průtokových cel v libovolné orientaci. Nejsou zapotřebí žádná ložiska. Reaktory s průtokovou celou jsou obecně vyrobeny z nerezové oceli, mají jednoduchou geometrii a lze je snadno rozebrat a vytřít. Nejsou zde žádné malé otvory ani skryté kouty.

Ultrazvukové čištění na místě

Intenzita ultrazvuku používaná pro dispergační aplikace je mnohem vyšší než u běžného ultrazvukového čištění. Ultrazvukový výkon proto lze využít k podpoře čištění při proplachování a oplachování, protože ultrazvuková kavitace odstraňuje částice a zbytky kapalin ze sonotrody a ze stěn průtokové cely.