Ultraschallzerkleinerung von Tintenpigmenten (z. B. für den Tintenstrahldruck)

Ultraschallkavitation ist ein wirksames Verfahren zum Dispergieren und Feinmahlen (Nassmahlen) von Tintenpigmenten. Ultraschalldispergierer werden sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Herstellung von UV-, wasser- oder lösungsmittelbasierten Tintenstrahltinten erfolgreich eingesetzt.

Nanodispergierte Tintenstrahltinten

Ultraschall ist sehr effektiv bei der Zerkleinerung von Partikeln im Bereich von 500µm bis hinunter auf etwa 10nm.
Wird die Ultraschallbehandlung zum Dispergieren von Nanopartikeln in Tintenstrahltinte eingesetzt, lassen sich der Farbumfang, die Beständigkeit und die Druckqualität der Tinte erheblich verbessern. Daher werden Ultraschallgeräte mit Sonotrode häufig bei der Herstellung von nanopartikelhaltigen Tintenstrahltinten, Spezialtinten (z. B. leitfähigen Tinten, Tinten für den 3D-Druck und Tätowiertinten) sowie Farben eingesetzt.
 

Die folgenden Diagramme zeigen beispielhaft nicht beschallte und mit Ultraschall dispergierte schwarze Pigmente in Tintenstrahltinte im Vergleich. 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 Tintenpigmenten. (Grüne Kurve: vor der Beschallung – rote Kurve: nach der Beschallung)

Wie verbessert die Ultraschalldispergierung die Qualität von Tintenstrahltinten?

Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren sind äußerst effizient beim Dispergieren, Zerkleinern und gleichmäßigen Verteilen von Nanopartikeln.
Das bedeutet, dass das Dispergieren von Nanopartikeln mittels Ultraschall in Tintenstrahltinte deren Leistungsfähigkeit und Beständigkeit verbessern kann. Nanopartikel sind sehr kleine Partikel mit Größen im Bereich von 1 bis 100 Nanometern. Sie besitzen einzigartige Eigenschaften, die Tintenstrahltinte auf verschiedene Weise verbessern können.

• Erstens können Nanopartikel den Farbumfang von Tintenstrahltinte verbessern, also den Bereich der darstellbaren Farben. Werden Nanopartikel mit einem Ultraschallgerät mit Sonotrode gleichmäßig dispergiert, zeigt die Tinte dadurch lebendigere und stärker gesättigte Farben. Dies liegt daran, dass Nanopartikel Licht auf eine Weise streuen und reflektieren können, die herkömmlichen Farbstoffen und Pigmenten nicht möglich ist, wodurch sich die Farbwiedergabe verbessert.
• Zweitens können homogen dispergierte Nanopartikel die Beständigkeit von Tintenstrahltinte gegenüber Verblassen, Wasser und Verschmieren erhöhen. Dies liegt daran, dass sich Nanopartikel stärker mit dem Papier oder einem anderen Substrat verbinden können, wodurch ein beständigeres und langlebigeres Bild entsteht. Außerdem können Nanopartikel verhindern, dass die Tinte im Papier verläuft, was zum Verschmieren führen und die Schärfe des gedruckten Bildes verringern kann.
• Schließlich können mit Ultraschall dispergierte Nanopartikel auch die Druckqualität und Auflösung von Tintenstrahltinte verbessern. Ultraschalldispergierer sind beim Mahlen und Mischen von Nanopartikeln in Flüssigkeiten besonders effizient. Durch die Verwendung kleinerer Partikel kann die Tinte feinere und präzisere Linien erzeugen, was zu schärferen und klareren Bildern führt. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen wie dem hochwertigen Fotodruck und dem Kunstdruck.

Kontrolle über Prozessparameter und Dispergierergebnisse

Die Partikelgröße und die Partikelgrößenverteilung von Tintenpigmenten beeinflussen viele Produkteigenschaften, etwa die Farbstärke oder die Druckqualität. Beim Tintenstrahldruck kann bereits eine geringe Menge größerer Partikel zu Instabilität der Dispersion, Sedimentation oder zum Ausfall von Tintenstrahldüsen führen. Deshalb ist es für die Qualität von Tintenstrahltinte wichtig, den in der Produktion eingesetzten Zerkleinerungsprozess gut zu kontrollieren.

Inline-Verarbeitung von Nanodispersionen für Tintenstrahltinten

Ultraschallreaktoren von Hielscher werden üblicherweise inline eingesetzt. Die Tintenstrahltinte wird in den Reaktorbehälter gepumpt. Dort wird sie der Ultraschallkavitation mit kontrollierter Intensität ausgesetzt. Die Einwirkzeit ergibt sich aus dem Reaktorvolumen und der Materialzufuhrrate. Die Inline-Beschallung verhindert das Umgehen der Behandlungszone, da alle Partikel die Reaktorkammer auf einem definierten Weg durchlaufen. Da alle Partikel in jedem Zyklus für die gleiche Dauer identischen Beschallungsparametern ausgesetzt sind, verengt und verschiebt die Ultraschallbehandlung üblicherweise die Verteilungskurve, anstatt sie zu verbreitern. Die Ultraschalldispergierung erzeugt relativ symmetrische Partikelgrößenverteilungen. Im Allgemeinen lässt sich bei beschallten Proben kein rechtsseitiges Tailing beobachten – eine negative Schiefe der Kurve, die durch eine Verschiebung hin zu gröberem Material verursacht wird („Ausläufer“ auf der rechten Seite).

Dispergierung bei kontrollierten Temperaturen: Prozesskühlung

Für temperaturempfindliche Trägermedien bietet Hielscher Durchflusszellenreaktoren mit Kühlmantel für alle Labor- und Industriegeräte an. Durch die Kühlung der Reaktorinnenwände lässt sich die Prozesswärme effektiv abführen.

Die folgenden Bilder zeigen Rußpigment, das mit dem Ultraschallhomogenisator UIP1000hdT in UV-Tinte dispergiert wurde.

Die Ultraschalldispergierung gewährleistet eine wirksame Partikelzerkleinerung und eine gleichmäßige Verteilung von Rußpigmenten in UV-Tinte.

Dispergierung und Deagglomeration von Tintenstrahltinten in jedem Maßstab

Hielscher stellt Ultraschalldispergiergeräte zur Verarbeitung von Tinten in beliebigen Volumina her. Ultraschallhomogenisatoren für das Labor werden für Volumina von 1,5mL bis etwa 2L eingesetzt und eignen sich ideal für die Forschungs- und Entwicklungsphase von Tintenformulierungen sowie für Qualitätsprüfungen. Darüber hinaus ermöglichen Machbarkeitstests im Labor die genaue Auswahl der erforderlichen Gerätegröße für die kommerzielle Produktion.
Industrielle Ultraschalldispergierer werden in der Produktion für Chargen von 0,5 bis etwa 2000L oder Volumenströme von 0,1L bis 20m³ pro Stunde eingesetzt. Im Unterschied zu anderen Dispergier- und Mahltechnologien lässt sich die Ultraschallbehandlung leicht auf größere Maßstäbe übertragen, da alle wichtigen Prozessparameter linear skaliert werden können.

Die folgende Tabelle enthält allgemeine Empfehlungen für Ultraschallgeräte in Abhängigkeit vom zu verarbeitenden Chargenvolumen oder Volumenstrom.

 
Wie funktionieren Ultraschalldispergierer? – Das Funktionsprinzip der akustischen Kavitation
Ultraschallkavitation ist ein Prozess, bei dem hochfrequente Schallwellen kleine Gasblasen in einer Flüssigkeit erzeugen. Wenn die Blasen hohem Druck ausgesetzt werden, können sie kollabieren oder implodieren und dabei schlagartig Energie freisetzen. Diese Energie kann genutzt werden, um Partikel in der Flüssigkeit zu dispergieren und zu zerkleinern.
Bei der Ultraschallkavitation werden die Schallwellen von einem Ultraschallwandler erzeugt, der üblicherweise an einer Sonotrode montiert ist. Der Wandler wandelt elektrische Energie in mechanische Energie in Form von Schallwellen um, die anschließend über die Sonotrode in die Flüssigkeit übertragen werden. Wenn die Schallwellen die Flüssigkeit erreichen, erzeugen sie Hochdruckwellen, die die Gasblasen zur Implosion bringen können.
Es gibt mehrere mögliche Anwendungen der Ultraschallkavitation in Dispergierprozessen, darunter die Herstellung von Emulsionen, die Dispergierung von Pigmenten und Füllstoffen sowie die Deagglomeration von Partikeln. Ultraschallkavitation kann eine wirksame Methode zur Dispergierung von Partikeln sein, da sie hohe Scherkräfte und einen hohen Energieeintrag erzeugen kann. Zudem lassen sich weitere wichtige Prozessparameter wie Temperatur und Druck präzise kontrollieren, sodass der Prozess an die spezifischen Anforderungen der Anwendung angepasst werden kann. Diese präzise Prozesskontrolle ist einer der wesentlichen Vorteile der Beschallung, da hochwertige Produkte zuverlässig und reproduzierbar hergestellt werden können und eine unerwünschte Degradation von Partikeln oder Flüssigkeit vermieden wird.

Robust und leicht zu reinigen

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

Integrierte Ultraschallreinigung

Die für Dispergieranwendungen eingesetzte Ultraschallintensität ist wesentlich höher als bei der üblichen Ultraschallreinigung. Daher kann die Ultraschallleistung genutzt werden, um die Reinigung beim Durchspülen und Nachspülen zu unterstützen, da die Ultraschallkavitation Partikel und Flüssigkeitsrückstände von der Sonotrode und den Wänden der Durchflusszelle entfernt.