Ultralydsstørrelsesreduktion af blæk (f.eks. til inkjet)

Ultralydskavitation er et effektivt middel til dispergering og mikroslibning (vådfræsning) af blækpigmenter. Ultralydsdispergeringsmidler bruges med succes i forskning såvel som i industriel fremstilling af UV-, vand- eller opløsningsmiddelbaserede inkjet-blæk.

Nano-dispergeret inkjet-blæk

Ultralyd er meget effektiv til størrelsesreduktion af partikler i området fra 500μm ned til ca. 10nm.
Når ultralydbehandling bruges til at sprede nanopartikler i inkjet-blæk, kan blækfarveskalaen, holdbarheden og udskriftskvaliteten forbedres væsentligt. Derfor anvendes sonde-type ultralydapparater i vid udstrækning til fremstilling af nanopartikelholdige inkjet-blæk, specialblæk (f.eks. ledende blæk, 3D-printbare blæk, tatoveringsblæk) og maling.
 

Graferne nedenfor viser et eksempel på ikke-sonikerede vs ultralydsdispergerede sorte pigmenter i inkjet-blæk. Ultralydsbehandling blev udført med ultralydssonden UIP1000hdT. Resultatet af ultralydsbehandlingen er en synligt mindre partikelstørrelse og en meget smal partikelstørrelsesfordeling.

Ultralydsdispersion resulterer i betydeligt mindre og mere ensartede blækpigmenter. (grøn graf: før sonikering – rød graf: efter sonikering)

Hvordan forbedrer ultralydsdispersion inkjet-blækkvaliteten?

Ultralydapparater med høj intensitet er yderst effektive til spredning, størrelsesreduktion og ensartet fordeling af nanopartikler.
Det betyder, at ispersing af nanopartikler med ultralyd i inkjetblæk kan forbedre dets ydeevne og holdbarhed. Nanopartikler er meget små partikler med størrelser i området 1 til 100 nanometer, og de har unikke egenskaber, der kan forbedre inkjet-blæk på flere måder.

• For det første kan nanopartikler forbedre farveskalaen for inkjet-blæk, som refererer til det udvalg af farver, der kan produceres. Når nanopartikler er ensartet dispergeret med en sonde-type ultralydsapparat, udviser blækket følgelig mere levende og mættede farver. Dette skyldes, at nanopartikler kan sprede og reflektere lys på måder, som traditionelle farvestoffer og pigmenter ikke kan, hvilket fører til forbedret farvegengivelse.
• For det andet kan homogent dispergerede nanopartikler øge inkjet-blækets modstandsdygtighed over for falmning, vand og udtværing. Dette skyldes, at nanopartikler kan binde stærkere til papiret eller andet substrat, hvilket skaber et mere holdbart og længerevarende billede. Derudover kan nanopartikler forhindre blækket i at bløde ind i papiret, hvilket kan forårsage udtværing og reducere skarpheden af det udskrevne billede.
• Endelig kan ultralydsdispergerede nanopartikler også forbedre udskriftskvaliteten og opløsningen af inkjet-blæk. Ultralydsdispergeringsmidler er usædvanligt effektive, når det kommer til fræsning og blanding af nanopartikler i væsker. Ved at bruge mindre partikler kan blækket skabe finere og mere præcise linjer, hvilket resulterer i skarpere og klarere billeder. Dette er især vigtigt i applikationer som fotoprint i høj kvalitet og kunsttryk.

Kontrol over procesparametre og spredningsresultater

Partikelstørrelsen og partikelstørrelsesfordelingen af blækpigmenter påvirker mange produktegenskaber, såsom toningsstyrke eller udskriftskvalitet. Når det kommer til inkjet-udskrivning, kan en lille mængde større partikler føre til dispersion, ustabilitet, sedimentering eller inkjetdysefejl. Af denne grund er det vigtigt for inkjet-blækkvaliteten at have en god kontrol over den størrelsesreduktionsproces, der bruges i produktionen.

Inline-behandling af nanodispersioner til inkjetblæk

Hielscher ultralydsreaktorer bruges almindeligvis in-line. Blækskriverblækket pumpes ind i reaktorbeholderen. Der udsættes den for ultralydskavitation med en kontrolleret intensitet. Eksponeringstiden er et resultat af reaktorvolumen og materialets tilspændingshastighed. Inline sonikering eliminerer omgåelse, fordi alle partikler passerer reaktorkammeret efter en defineret sti. Da alle partikler udsættes for identiske sonikeringsparametre i samme tid i løbet af hver cyklus, indsnævres og forskydes ultralydbehandling typisk fordelingskurven i stedet for at udvide den. Ultralydsdispersion producerer relativt symmetriske partikelstørrelsesfordelinger. Generelt er højre hale – en negativ skævhed af kurven forårsaget af en forskydning til de grove materialer ("hale" til højre) – kan ikke observeres ved sonikerede prøver.

Dispersion under kontrollerede temperaturer: Proceskøling

Til temperaturfølsomme køretøjer tilbyder Hielscher kappede flowcellereaktorer til alle laboratorie- og industrielle enheder. Ved at afkøle de indvendige reaktorvægge kan procesvarmen spredes effektivt.

Billederne nedenfor viser carbon black pigment dispergeret med ultralydssonden UIP1000hdT i UV-blæk.

Ultralydsdispersion sikrer en effektiv reduktion af partikelstørrelse og ensartet fordeling af carbon black-pigmenter i UV-blæk.

Dispergering og deagglomerering af inkjetblæk i enhver skala

Hielscher fremstiller ultralydsdispergeringsudstyr til behandling af blækk i ethvert volumen. Ultralydslaboratoriehomogenisatorer bruges til volumener fra 1,5 ml til ca. 2 L og er ideelle til R + D-stadiet af blækformuleringer såvel som til kvalitetstest. Desuden giver gennemførlighedstest i laboratoriet mulighed for at vælge den nødvendige udstyrsstørrelse til kommerciel produktion nøjagtigt.
Industrielle ultralydsdispergeringsmidler anvendes i produktionen til batches fra 0,5 til ca. 2000L eller strømningshastigheder fra 0,1 l til 20 m³ i timen. Forskellig fra andre dispergerings- og fræseteknologier kan ultralydbehandling let skaleres op, da alle vigtige procesparametre kan skaleres lineært.

Nedenstående tabel viser generelle ultralydsanbefalinger afhængigt af batchvolumen eller flowhastighed, der skal behandles.

 
Hvordan fungerer ultralydsdispergeringsmidler? – Arbejdsprincippet for akustisk kavitation
Ultralydkavitation er en proces, der bruger højfrekvente lydbølger til at generere små gasbobler i en væske. Når boblerne udsættes for højt tryk, kan de kollapse eller implodere og frigive et udbrud af energi. Denne energi kan bruges til at sprede partikler i væsken og nedbryde dem i mindre størrelser.
Ved ultralydskavitation genereres lydbølgerne af en ultralydstransducer, som typisk er monteret på en sonde eller et horn. Transduceren omdanner elektrisk energi til mekanisk energi i form af lydbølger, som derefter overføres til væsken gennem sonden eller hornet. Når lydbølgerne når væsken, skaber de højtryksbølger, der kan få gasboblerne til at implodere.
Der er flere potentielle anvendelser for ultralydskavitation i dispersionsprocesser, herunder produktion af emulsioner, spredning af pigmenter og fyldstoffer og deagglomerering af partikler. Ultralydskavitation kan være en effektiv måde at sprede partikler på, fordi det kan generere høje forskydningskræfter og energiinput samt andre vigtige procesparametre såsom temperatur og tryk kan styres præcist, hvilket gør det muligt at skræddersy processen til applikationens specifikke behov. Denne præcise proceskontrol er en af de fremtrædende fordele ved sonikering, da produkter af høj kvalitet kan være pålidelige og reproducerbart produceret, og enhver uønsket nedbrydning af partikler eller væske undgås.

Robust og nem at rengøre

En ultralydsreaktor består af reaktorbeholderen og ultralydssonotroden. Dette er den eneste del, der er udsat for slid, og den kan nemt udskiftes inden for få minutter. Oscillationsafkoblingsflanger gør det muligt at montere sonotroden i åbne eller lukkede trykbeholdere eller flowceller i enhver retning. Ingen lejer er nødvendige. Flowcellereaktorer er generelt lavet af rustfrit stål og har enkle geometrier og kan nemt skilles ad og tørres ud. Der er ingen små åbninger eller skjulte hjørner.

Ultralydsrenser på plads

Ultralydsintensiteten, der anvendes til dispergeringsapplikationer, er meget højere end til typisk ultralydsrensning. Derfor kan ultralydseffekten bruges til at hjælpe med rengøring under skylning og skylning, da ultralydskavitationen fjerner partikler og væskerester fra sonotroden og fra flowcellevæggene.