Ultraschall-Dispersion von Tintenpigmenten (z.B. für Inkjet-Tinten)

Ultraschallhomogenisatoren sind äußerst effektiv bei der Dispergierung und Mikrovermahlung (Nassmahlung) von Tintenpigmenten. Ultraschalldispergierer werden sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Herstellung von UV-, wasser- oder lösungsmittelbasierten Inkjet-Tinten erfolgreich eingesetzt.

Nano-dispergierte Inkjet-Tinten

Ultraschall ist sehr effektiv bei der Zerkleinerung, d.h. der Vermahlung und Dispergierung - von Partikeln im Bereich von ca. 500µm bis zu 10nm.
Wird Ultraschall zur Dispersion von Nanopartikeln in Inkjet-Tinten eingesetzt, können Farbspektrum, Haltbarkeit und Druckqualität der Tinten erheblich verbessert werden. Daher sind Ultraschallhomogenisatoren bei der Herstellung von nanopartikel-basierten Inkjet-Tinten, Spezialtinten (z. B. leitfähige Tinten, 3D-druckbare Tinten, Tätowiertinten) und Farben weit verbreitet.
 

Das nachstehende Diagramm zeigt ein Beispiel für nicht-beschallte und mit Ultraschall dispergierte schwarze Pigmente in Inkjet-Tinte. Die Ultraschallbehandlung wurde mit dem Ultraschallhomogenisator UIP1000hdT durchgeführt. Das Ergebnis der Ultraschallbehandlung ist eine sichtbar kleinere Partikelgröße und eine sehr enge Partikelgrößenverteilung.

Die Ultraschalldispergierung führt zu deutlich kleineren und gleichmäßigeren Farbpigmenten. (grüne Kurve: vor der Beschallung – rote Kurve: nach Beschallung)

Wie verbessert die Ultraschalldispersion die Qualität von Tintenstrahltinten?

Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren sind sehr effizient bei der Dispersion, Zerkleinerung und gleichmäßigen Verteilung von Nanopartikeln.
Das bedeutet, dass das Einbringen von Nanopartikeln in Tintenstrahltinte mit Ultraschall die Tintenqualität sowie deren Haltbarkeit verbessern kann. Nanopartikel sind sehr kleine Partikel mit Größen im Bereich von 1 bis 100 Nanometern und haben einzigartige Eigenschaften, welche die Qualität der Inkjet-Tinte auf verschiedene Weise verbessern können.

• Erstens können Nanopartikel das Farbspektrum von Inkjet-Tinten verbessern, d. h. die Palette der herstellbaren Farben wird erweitert. Wenn Nanopartikel mit einem Ultraschallhomogenisator gleichmäßig dispergiert werden, weist die Tinte folglich lebendigere und gesättigtere Farben auf. Das liegt daran, dass Nanopartikel das Licht auf eine Weise streuen und reflektieren können, wie es herkömmliche Farbstoffe und Pigmente nicht können. Durch diese Lichtreflektion der Nanopartikel wird eine bessere Farbwiedergabe erzielt.
• Zweitens können homogen verteilte Nanopartikel die Widerstandsfähigkeit von Inkjet-Tinte gegen Verblassen, Wasser und Verschmieren erhöhen. Dies liegt daran, dass sich Nanopartikel stärker mit dem Papier oder einem anderen Substrat verbinden können, wodurch ein haltbareres und länger anhaltendes Bild entsteht. Außerdem können Nanopartikel verhindern, dass die Tinte in das Papier eindringt, was zu Verschmierungen führen und die Schärfe des Druckbildes beeinträchtigen kann.
• Letztendlich können mit Ultraschall dispergierte Nanopartikel auch die Druckqualität und Auflösung von Inkjet-Tinten verbessern. Ultraschall-Dispergierer sind besonders effizient, wenn es um das Mahlen und Mischen von Nanopartikeln in Flüssigkeiten geht. Durch die Verwendung kleinerer Partikel kann die Tinte feinere und präzisere Linien erzeugen, was zu schärferen und klareren Bildern führt. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen wie hochwertige Fotodrucke und Kunstdrucke.

Kontrolle über Prozessparameter und Dispersionsgrad

Die Partikelgröße und die Partikelgrößenverteilung von Tintenpigmenten beeinflussen viele Produkteigenschaften, wie z. B. die Farbkraft und die Druckqualität. Beim Tintenstrahldruck kann eine kleine Menge größerer Partikel zu Dispersionsinstabilität, Sedimentation oder zur Verstopfung und anschließendem Ausfall von Tintenstrahldüsen führen. Aus diesem Grund ist es für die Qualität der Tintenstrahltinte wichtig, dass der Dispersionsprozess bei der Herstellung genau kontrolliert wird.

Inline-Verarbeitung von Nano-Dispersionen für Inkjet-Tinten

Hielscher-Ultraschallreaktoren werden in der Regel in-line eingesetzt. Die Inkjet-Tinte wird in den Reaktorbehälter gepumpt. Dort wird sie der Ultraschallkavitation mit kontrollierter Intensität ausgesetzt. Die Einwirkungszeit ergibt sich aus dem Reaktorvolumen und der Materialzufuhrrate. Bei der Inline-Beschallung gibt es keine Umgehungseffekte, da alle Partikel die Reaktorkammer auf einem definierten Weg durchlaufen. Da alle Partikel bei jedem Zyklus für die gleiche Zeit den gleichen Beschallungsparametern ausgesetzt sind, wird die Verteilungskurve bei der Ultraschall-Dispergierung Beschallung in der Regel verengt und verschoben, anstatt sie zu verbreitern. Die Ultraschall-Dispergierung erzeugt relativ symmetrische Partikelgrößenverteilungen. Im Allgemeinen ist das Tailing auf der rechten Seite der Kurve – eine Ausweitung der Verteilungskurve nach rechts, die durch eine Verschiebung zu den groben Materialien verursacht wird ("Tailing" auf der rechten Seite) – ist bei beschallten Proben normalerweise nicht zu beobachten.

Dispersion unter kontrollierten Temperaturen: Prozesskühlung

Um temperaturempfindliche Trägerflüssigkeiten schonend zu verarbeiten, bietet Hielscher für alle Labor- und Industriegeräte ummantelte Durchflusszellenreaktoren an. Durch die Kühlung der Reaktorinnenwände kann die Prozesswärme effektiv abgeführt werden.

Die Bilder unten zeigen Carbon Black Pigmente, die mit dem Ultraschallhomogenisator UIP1000hdT in UV-Farbe dispergiert wurden.

Die Ultraschall-Dispergierung gewährleistet eine effektive Partikelgrößenreduzierung und eine gleichmäßige Verteilung der Carbon Black Pigmente in UV-Tinte.

Dispergieren und Deagglomerieren von Inkjet-Tinten in beliebigem Maßstab

Hielscher stellt Ultraschall-Dispergiergeräte für die Verarbeitung von Druckfarben in jedem Volumen her. Ultraschall-Laborhomogenisatoren werden für Volumina von 1,5mL bis ca. 2L eingesetzt und sind ideal für die F+E-Phase von Druckfarbenrezepturen sowie für Qualitätstests. Darüber hinaus ermöglichen Machbarkeitstests im Labor eine genaue Auswahl der erforderlichen Gerätegröße für die kommerzielle Produktion.
Industrielle Ultraschalldispergierer werden in der Produktion für Chargen von 0,5 bis ca. 2000 l oder Durchflussmengen von 0,1 l bis 20 m³ pro Stunde eingesetzt. Im Gegensatz zu anderen Dispergier- und Mahltechnologien lässt sich die Ultraschalltechnik leicht skalieren, da alle wichtigen Prozessparameter linear hochskaliert werden können.

Die nachstehende Tabelle enthält allgemeine Empfehlungen für die Verarbeitungskapazität der Hielscher Ultraschallhomogenisatoren in Abhängigkeit von der zu verarbeitenden Chargenmenge bzw. Durchflussrate.

 
Wie funktioniert der Ultraschall-Dispergierer? – Das Funktionsprinzip der akustischen Kavitation
Die Ultraschallkavitation ist ein Verfahren, bei dem mit Hilfe von Hochfrequenz-Schallwellen kleine Gasblasen in einer Flüssigkeit erzeugt werden. Wenn die Blasen über mehrer Zyklen angewachsen sind und ihre maximale Größe erreicht haben, implodieren die heftig, wobei ein Energiestoß freigesetzt wird. Diese Energie wird genutzt, um Partikel in der Flüssigkeit zu dispergieren und feinzumahlen.
Bei der Ultraschallkavitation werden die Schallwellen von einem Ultraschallwandler erzeugt, an dem in der Regel eine Sonotrode bzw. Horn angebracht ist. Der Wandler wandelt elektrische Energie in mechanische Energie in Form von Schallwellen um, die dann über die Sonotrode (auch Ultraschallhorn, Ultraschallstab oder ULtraschallfinger genannt) in die Flüssigkeit übertragen werden. Wenn die Schallwellen in die Flüssigkeit eingekoppelt werden, erzeugen sie Hochdruckwellen, welche Gasblasen erzeugen und diese zum Implodieren bringen.
Es gibt mehrere potenzielle Anwendungen für die Ultraschallkavitation in Dispersionsprozessen, darunter die Herstellung von Emulsionen, die Dispersion von Pigmenten und Füllstoffen sowie die Deagglomeration und Vermahlung von Partikeln. Die Ultraschallkavitation ist ein wirksames Mittel zur Dispergierung von Partikeln, da sie hohe Scherkräfte erzeugen kann und der Energieeintrag sowie andere wichtige Prozessparameter wie Temperatur und Druck präzise gesteuert werden können. Dadurch ist es möglich, den Prozess auf die spezifischen Anforderungen der Anwendung abzustimmen. Diese präzise Prozesssteuerung ist einer der herausragenden Vorteile der Beschallung, da hochwertige Produkte zuverlässig und reproduzierbar hergestellt werden können und eine unerwünschte Zersetzung von Partikeln oder Flüssigkeit vermieden wird.

Robust und einfach zu reinigen

Ein Ultraschallreaktor besteht aus dem Reaktorbehälter und der Ultraschallsonotrode. Die Ultraschallsonotrode ist das einzige Teil, das dem Verschleiß unterliegt und kann innerhalb von Minuten einfach ausgetauscht werden. Schwingungsentkoppelnde Flansche ermöglichen den Einbau der Sonotrode in offene oder geschlossene druckbeaufschlagbare Behälter oder Durchflusszellen in beliebiger Ausrichtung. Es werden keine Lager benötigt. Durchflusszellenreaktoren sind in der Regel aus rostfreiem Edelstahl gefertigt, haben eine einfache Geometrie und lassen sich leicht zerlegen und auswischen. Es gibt keine kleinen Öffnungen oder versteckten Ecken.

Integrierte Ultraschallreinigung

Die für Dispergieranwendungen verwendete Ultraschallintensität ist viel höher als bei der typischen Ultraschallreinigung. Daher kann die Ultraschallleistung zur Unterstützung der Reinigung während des Spülens genutzt werden, da die Ultraschallkavitation Partikel und Flüssigkeitsreste von der Sonotrode und von den Wänden der Durchflusszelle entfernt.