Partikelstørrelsesreduktion af blæk med ultralyd (f.eks. til inkjet)

Ultralydskavitation er et effektivt middel til dispergering og mikroformaling (vådformaling) af blækpigmenter. Ultralydsdispergatorer anvendes med succes både i forskning og i industriel fremstilling af UV-, vand- eller opløsningsmiddelbaseret inkjetblæk.

Nanodispergeret inkjetblæk

Ultralyd er meget effektiv til at reducere partikelstørrelsen i området fra 500µm ned til ca. 10nm.
Når sonikering bruges til at dispergere nanopartikler i inkjetblæk, kan blækkets farverum, holdbarhed og printkvalitet forbedres væsentligt. Derfor anvendes sondebaserede ultralydsapparater i vid udstrækning til fremstilling af inkjetblæk, der indeholder nanopartikler, specialblæk (f.eks. ledende blæk, blæk til 3D-print og tatoveringsblæk) samt maling.
 

Graferne nedenfor viser et eksempel på ikke-sonikerede sorte pigmenter sammenlignet med ultralydsdispergerede sorte pigmenter i inkjetblæk. Ultralydsbehandlingen blev udført med ultralydssonden UIP1000hdT. Resultatet af ultralydsbehandlingen er en synligt mindre partikelstørrelse og en meget snæver partikelstørrelsesfordeling.

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

Hvordan forbedrer ultralydsdispergering kvaliteten af inkjetblæk?

Ultralydsapparater med høj intensitet er meget effektive til dispergering, størrelsesreduktion og ensartet fordeling af nanopartikler.
Det betyder, at dispergering af nanopartikler med ultralyd i inkjetblæk kan forbedre blækkets ydeevne og holdbarhed. Nanopartikler er meget små partikler med størrelser i området fra 1 til 100 nanometer, og de har unikke egenskaber, som kan forbedre inkjetblæk på flere måder.

• For det første kan nanopartikler forbedre inkjetblækkets farverum, som betegner det spektrum af farver, der kan fremstilles. Når nanopartikler dispergeres ensartet med et sondebaseret ultralydsapparat, får blækket derfor mere levende og mættede farver. Det 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 inkjetblækkets modstandsdygtighed over for falmning, vand og udtværing. Det skyldes, at nanopartikler kan binde sig stærkere til papiret eller et andet substrat og dermed skabe et mere holdbart billede, der holder længere. Desuden kan nanopartikler forhindre blækket i at flyde ud i papiret, hvilket kan forårsage udtværing og reducere det trykte billedes skarphed.
• Endelig kan ultralydsdispergerede nanopartikler også forbedre inkjetblækkets printkvalitet og opløsning. Ultralydsdispergatorer er særdeles effektive til formaling og blanding af nanopartikler i væsker. Ved at bruge mindre partikler kan blækket danne finere og mere præcise linjer, hvilket giver skarpere og tydeligere billeder. Det er særligt vigtigt i anvendelser som fotoprint af høj kvalitet og kunsttryk.

Kontrol over procesparametre og dispergeringsresultater

Blækpigmenternes partikelstørrelse og partikelstørrelsesfordeling påvirker mange produktegenskaber, såsom farvestyrke eller printkvalitet. Ved inkjetprint kan en lille mængde større partikler føre til ustabilitet i dispersionen, sedimentation eller svigt af inkjetdysen. Derfor er det vigtigt for inkjetblækkets kvalitet at have god kontrol over den proces til partikelstørrelsesreduktion, der anvendes i produktionen.

Inlinebehandling af nanodispersioner til inkjetblæk

Hielschers ultralydsreaktorer anvendes almindeligvis inline. Inkjetblækket pumpes ind i reaktorbeholderen. Her udsættes det for ultralydskavitation med en kontrolleret intensitet. Eksponeringstiden bestemmes af reaktorvolumenet og materialets tilførselshastighed. Inlinesonikering eliminerer bypass, fordi alle partikler passerer gennem reaktorkammeret ad en defineret vej. Da alle partikler udsættes for identiske sonikeringsparametre i samme tidsrum under hver cyklus, indsnævrer og forskyder sonikering typisk fordelingskurven frem for at gøre den bredere. Ultralydsdispergering giver relativt symmetriske partikelstørrelsesfordelinger. Generelt kan en hale mod højre – en negativ skævhed i kurven forårsaget af en forskydning mod de grove materialer (”hale” til højre) – ikke observeres i sonikerede prøver.

Dispergering ved kontrollerede temperaturer: proceskøling

Til temperaturfølsomme bæremedier tilbyder Hielscher flowcellereaktorer med kølekappe til alle laboratorie- og industriapparater. Ved at køle reaktorens indvendige vægge kan procesvarmen bortledes effektivt.

Billederne nedenfor viser kønrøgspigment dispergeret i UV-blæk med ultralydssonden UIP1000hdT.

Ultralydsdispergering sikrer en effektiv reduktion af partikelstørrelsen og en ensartet fordeling af kønrøgspigmenter i UV-blæk.

Dispergering og deagglomerering af inkjetblæk i enhver skala

Hielscher fremstiller ultralydsudstyr til dispergering og behandling af blæk i ethvert volumen. Ultralydshomogenisatorer til laboratorier anvendes til volumener fra 1,5mL til ca. 2L og er ideelle til forskning og udvikling af blækformuleringer samt til kvalitetstest. Desuden gør gennemførlighedstest i laboratoriet det muligt at vælge den nødvendige udstyrsstørrelse til kommerciel produktion præcist.
Industrielle ultralydsdispergatorer anvendes i produktionen til batchvolumener fra 0,5 til ca. 2000L eller flowhastigheder fra 0,1L til 20m³ pr. time. I modsætning til andre dispergerings- og formalingsteknologier kan sonikering nemt opskaleres, da alle vigtige procesparametre kan skaleres lineært.

Tabellen nedenfor viser generelle anbefalinger af ultralydsapparater afhængigt af det batchvolumen eller den flowhastighed, der skal behandles.

 
Hvordan fungerer ultralydsdispergatorer? – Funktionsprincippet bag akustisk kavitation
Ultralydskavitation er en proces, der bruger højfrekvente lydbølger til at danne 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 dispergere partikler i væsken og nedbryde dem til mindre størrelser.
Ved ultralydskavitation dannes 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 bølger med højt tryk, som kan få gasboblerne til at implodere.
Der er flere potentielle anvendelser af ultralydskavitation i dispergeringsprocesser, herunder fremstilling af emulsioner, dispergering af pigmenter og fyldstoffer samt deagglomerering af partikler. Ultralydskavitation kan være en effektiv måde at dispergere partikler på, fordi den kan generere høje forskydningskræfter og energitilførsel, samtidig med at andre vigtige procesparametre såsom temperatur og tryk kan kontrolleres præcist, hvilket gør det muligt at tilpasse processen til anvendelsens specifikke behov. Denne præcise proceskontrol er en af de fremtrædende fordele ved sonikering, da produkter af høj kvalitet kan fremstilles pålideligt og reproducerbart, og enhver uønsket nedbrydning af partikler eller væske undgås.

Robust og nem at rengøre

En ultralydsreaktor består af reaktorbeholderen og ultralydssonotroden. Sonotroden er den eneste del, der udsættes for slid, og den kan nemt udskiftes på få minutter. Svingningsafkoblende flanger gør det muligt at montere sonotroden i åbne eller lukkede beholdere, der kan tryksættes, eller i flowceller i enhver orientering. Der er ikke behov for lejer. Flowcellereaktorer er generelt fremstillet af rustfrit stål og har enkle geometrier, og de kan nemt skilles ad og tørres af indvendigt. Der er ingen små åbninger eller skjulte hjørner.

Ultralydsrengøring på stedet

Den ultralydsintensitet, der anvendes til dispergering, er meget højere end ved typisk ultralydsrengøring. Derfor kan ultralydseffekten bruges til at understøtte rengøringen under gennemskylning og skylning, da ultralydskavitationen fjerner partikler og væskerester fra sonotroden og flowcellens vægge.