Μείωση του μεγέθους των σωματιδίων μελανιού με υπερήχους (π.χ. για εκτύπωση ψεκασμού)

Η σπηλαίωση με υπερήχους αποτελεί αποτελεσματικό μέσο για τη διασπορά και τη μικροάλεση (υγρή άλεση) των χρωστικών των μελανιών. Οι διασπορείς υπερήχων χρησιμοποιούνται με επιτυχία τόσο στην έρευνα όσο και στη βιομηχανική παραγωγή μελανιών εκτύπωσης ψεκασμού UV, με βάση το νερό ή με βάση διαλύτες.

Μελάνια εκτύπωσης ψεκασμού με νανοδιασπορά

Οι υπέρηχοι είναι πολύ αποτελεσματικοί στη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων από 500µm έως περίπου 10nm.
Όταν η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται για τη διασπορά νανοσωματιδίων σε μελάνι εκτύπωσης ψεκασμού, το χρωματικό εύρος του μελανιού, η ανθεκτικότητα και η ποιότητα εκτύπωσης μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά. Ως εκ τούτου, οι συσκευές υπερήχων τύπου καθετήρα χρησιμοποιούνται ευρέως στην παραγωγή μελανιών εκτύπωσης ψεκασμού που περιέχουν νανοσωματίδια, ειδικών μελανιών (π.χ. αγώγιμων μελανιών, μελανιών κατάλληλων για εκτύπωση 3D, μελανιών τατουάζ) και χρωμάτων.
 

Τα παρακάτω διαγράμματα παρουσιάζουν ένα παράδειγμα σύγκρισης μαύρων χρωστικών σε μελάνι εκτύπωσης ψεκασμού χωρίς κατεργασία με υπερήχους και μετά από διασπορά με υπερήχους. Η κατεργασία με υπερήχους πραγματοποιήθηκε με τον καθετήρα υπερήχων UIP1000hdT. Το αποτέλεσμα της κατεργασίας με υπερήχους είναι ένα εμφανώς μικρότερο μέγεθος σωματιδίων και μια πολύ στενή κατανομή μεγέθους σωματιδίων.

Η διασπορά με υπερήχους οδηγεί σε σημαντικά μικρότερα και πιο ομοιόμορφα σωματίδια χρωστικών μελανιού. (πράσινο διάγραμμα: πριν από την κατεργασία με υπερήχους – κόκκινο διάγραμμα: μετά την κατεργασία με υπερήχους)

Πώς βελτιώνει η διασπορά με υπερήχους την ποιότητα των μελανιών εκτύπωσης ψεκασμού;

Οι συσκευές υπερήχων υψηλής έντασης είναι ιδιαίτερα αποδοτικές στη διασπορά, στη μείωση του μεγέθους και στην ομοιόμορφη κατανομή των νανοσωματιδίων.
Αυτό σημαίνει ότι η διασπορά νανοσωματιδίων με υπερήχους σε μελάνι εκτύπωσης ψεκασμού μπορεί να βελτιώσει την απόδοση και την ανθεκτικότητά του. Τα νανοσωματίδια είναι πολύ μικρά σωματίδια με μεγέθη που κυμαίνονται από 1 έως 100 νανόμετρα και διαθέτουν μοναδικές ιδιότητες που μπορούν να βελτιώσουν το μελάνι εκτύπωσης ψεκασμού με διάφορους τρόπους.

• Πρώτον, τα νανοσωματίδια μπορούν να βελτιώσουν το χρωματικό εύρος του μελανιού εκτύπωσης ψεκασμού, το οποίο αναφέρεται στο εύρος των χρωμάτων που μπορούν να παραχθούν. Όταν τα νανοσωματίδια διασπείρονται ομοιόμορφα με μια συσκευή υπερήχων τύπου καθετήρα, το μελάνι εμφανίζει κατά συνέπεια πιο ζωντανά και κορεσμένα χρώματα. Αυτό συμβαίνει επειδή τα νανοσωματίδια μπορούν να σκεδάζουν και να ανακλούν το φως με τρόπους που δεν είναι δυνατοί με τις παραδοσιακές βαφές και χρωστικές, οδηγώντας σε βελτιωμένη αναπαραγωγή χρωμάτων.
• Δεύτερον, τα ομοιογενώς διασπαρμένα νανοσωματίδια μπορούν να αυξήσουν την αντοχή του μελανιού εκτύπωσης ψεκασμού στο ξεθώριασμα, στο νερό και στις μουτζούρες. Αυτό συμβαίνει επειδή τα νανοσωματίδια μπορούν να συνδέονται ισχυρότερα με το χαρτί ή άλλο υπόστρωμα, δημιουργώντας μια πιο ανθεκτική εικόνα με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Επιπλέον, τα νανοσωματίδια μπορούν να εμποδίσουν την ανεξέλεγκτη εξάπλωση του μελανιού μέσα στο χαρτί, η οποία μπορεί να προκαλέσει μουτζούρες και να μειώσει την ευκρίνεια της εκτυπωμένης εικόνας.
• Τέλος, τα νανοσωματίδια που διασπείρονται με υπερήχους μπορούν επίσης να βελτιώσουν την ποιότητα και την ανάλυση εκτύπωσης του μελανιού εκτύπωσης ψεκασμού. Οι διασπορείς υπερήχων είναι εξαιρετικά αποδοτικοί στην άλεση και την ανάμειξη νανοσωματιδίων σε υγρά. Με τη χρήση μικρότερων σωματιδίων, το μελάνι μπορεί να δημιουργήσει λεπτότερες και πιο ακριβείς γραμμές, με αποτέλεσμα πιο ευκρινείς και καθαρές εικόνες. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε εφαρμογές όπως η εκτύπωση φωτογραφιών υψηλής ποιότητας και η εκτύπωση έργων τέχνης.

Έλεγχος των παραμέτρων της διεργασίας και των αποτελεσμάτων της διασποράς

Το μέγεθος των σωματιδίων και η κατανομή μεγέθους των σωματιδίων των χρωστικών των μελανιών επηρεάζουν πολλά χαρακτηριστικά του προϊόντος, όπως η χρωστική ισχύς ή η ποιότητα εκτύπωσης. Στην εκτύπωση ψεκασμού, μια μικρή ποσότητα μεγαλύτερων σωματιδίων μπορεί να οδηγήσει σε αστάθεια της διασποράς, καθίζηση ή αστοχία του ακροφυσίου ψεκασμού μελανιού. Για τον λόγο αυτό, ο καλός έλεγχος της διεργασίας μείωσης του μεγέθους που χρησιμοποιείται στην παραγωγή είναι σημαντικός για την ποιότητα του μελανιού εκτύπωσης ψεκασμού.

Επεξεργασία νανοδιασπορών εντός γραμμής παραγωγής για μελάνια εκτύπωσης ψεκασμού

Οι αντιδραστήρες υπερήχων της Hielscher χρησιμοποιούνται συνήθως εντός γραμμής. Το μελάνι εκτύπωσης ψεκασμού αντλείται μέσα στο δοχείο του αντιδραστήρα. Εκεί εκτίθεται σε σπηλαίωση υπερήχων ελεγχόμενης έντασης. Ο χρόνος έκθεσης προκύπτει από τον όγκο του αντιδραστήρα και την παροχή τροφοδοσίας του υλικού. Η κατεργασία με υπερήχους εντός γραμμής εξαλείφει την παράκαμψη, επειδή όλα τα σωματίδια διέρχονται από τον θάλαμο του αντιδραστήρα ακολουθώντας μια καθορισμένη διαδρομή. Καθώς όλα τα σωματίδια εκτίθενται στις ίδιες παραμέτρους κατεργασίας με υπερήχους για το ίδιο χρονικό διάστημα κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου, η κατεργασία με υπερήχους συνήθως στενεύει και μετατοπίζει την καμπύλη κατανομής αντί να τη διευρύνει. Η διασπορά με υπερήχους παράγει σχετικά συμμετρικές κατανομές μεγέθους σωματιδίων. Γενικά, στα δείγματα που έχουν υποστεί κατεργασία με υπερήχους δεν παρατηρείται ουρά προς τα δεξιά – μια αρνητική ασυμμετρία της καμπύλης που προκαλείται από μετατόπιση προς τα υλικά μεγαλύτερου μεγέθους («ουρά» στα δεξιά).

Διασπορά υπό ελεγχόμενες θερμοκρασίες: Ψύξη της διεργασίας

Για θερμοευαίσθητους φορείς, η Hielscher προσφέρει αντιδραστήρες κυψελίδας ροής με μανδύα για όλες τις εργαστηριακές και βιομηχανικές συσκευές. Με την ψύξη των εσωτερικών τοιχωμάτων του αντιδραστήρα, η θερμότητα της διεργασίας μπορεί να απομακρύνεται αποτελεσματικά.

Οι παρακάτω εικόνες δείχνουν χρωστική αιθάλης διασπαρμένη σε μελάνι UV με την ακίδα υπερήχων UIP1000hdT.

Η διασπορά με υπερήχους εξασφαλίζει αποτελεσματική μείωση του μεγέθους των σωματιδίων και ομοιόμορφη κατανομή των χρωστικών αιθάλης σε μελάνι UV.

Διασπορά και αποσυσσωμάτωση μελανιών εκτύπωσης ψεκασμού σε κάθε κλίμακα

Η Hielscher κατασκευάζει εξοπλισμό διασποράς με υπερήχους για την επεξεργασία μελανιών οποιουδήποτε όγκου. Οι εργαστηριακοί ομογενοποιητές υπερήχων χρησιμοποιούνται για όγκους από 1,5mL έως περίπου 2L και είναι ιδανικοί για το στάδιο έρευνας και ανάπτυξης (R+D) των συνθέσεων μελανιών, καθώς και για ελέγχους ποιότητας. Επιπλέον, οι εργαστηριακές δοκιμές εφικτότητας επιτρέπουν την ακριβή επιλογή του απαιτούμενου μεγέθους εξοπλισμού για εμπορική παραγωγή.
Οι βιομηχανικοί διασπορείς υπερήχων χρησιμοποιούνται στην παραγωγή για παρτίδες από 0,5 έως περίπου 2000L ή για παροχές από 0,1L έως 20m³ ανά ώρα. Σε αντίθεση με άλλες τεχνολογίες διασποράς και άλεσης, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί εύκολα να μεταφερθεί σε μεγαλύτερη κλίμακα, καθώς όλες οι σημαντικές παράμετροι της διεργασίας μπορούν να κλιμακωθούν γραμμικά.

Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει γενικές συστάσεις για συσκευές υπερήχων ανάλογα με τον όγκο της παρτίδας ή την παροχή προς επεξεργασία.

 
Πώς λειτουργούν οι διασπορείς υπερήχων; – Η αρχή λειτουργίας της ακουστικής σπηλαίωσης
Η σπηλαίωση υπερήχων είναι μια διεργασία που χρησιμοποιεί ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας για τη δημιουργία μικρών φυσαλίδων αερίου μέσα σε ένα υγρό. Όταν οι φυσαλίδες υποβάλλονται σε υψηλή πίεση, μπορούν να καταρρεύσουν ή να υποστούν ενδόρρηξη, απελευθερώνοντας μια απότομη έκλυση ενέργειας. Αυτή η ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διασπορά σωματιδίων στο υγρό, διασπώντας τα σε μικρότερα μεγέθη.
Στη σπηλαίωση υπερήχων, τα ηχητικά κύματα παράγονται από έναν μετατροπέα υπερήχων, ο οποίος συνήθως προσαρμόζεται σε μια ακίδα ή ένα κέρας. Ο μετατροπέας μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια με τη μορφή ηχητικών κυμάτων, τα οποία στη συνέχεια μεταδίδονται στο υγρό μέσω της ακίδας ή του κέρατος. Όταν τα ηχητικά κύματα φτάνουν στο υγρό, δημιουργούν κύματα υψηλής πίεσης που μπορούν να προκαλέσουν ενδόρρηξη των φυσαλίδων αερίου.
Υπάρχουν αρκετές δυνητικές εφαρμογές της σπηλαίωσης υπερήχων σε διεργασίες διασποράς, όπως η παραγωγή γαλακτωμάτων, η διασπορά χρωστικών και πληρωτικών υλικών και η αποσυσσωμάτωση σωματιδίων. Η σπηλαίωση υπερήχων μπορεί να αποτελέσει αποτελεσματικό τρόπο διασποράς σωματιδίων, επειδή μπορεί να δημιουργήσει υψηλές δυνάμεις διάτμησης και εισροή ενέργειας, ενώ άλλες σημαντικές παράμετροι της διεργασίας, όπως η θερμοκρασία και η πίεση, μπορούν να ελέγχονται με ακρίβεια, επιτρέποντας την προσαρμογή της διεργασίας στις συγκεκριμένες ανάγκες της εφαρμογής. Αυτός ο ακριβής έλεγχος της διεργασίας είναι ένα από τα εξέχοντα πλεονεκτήματα της κατεργασίας με υπερήχους, καθώς προϊόντα υψηλής ποιότητας μπορούν να παράγονται αξιόπιστα και αναπαραγώγιμα και αποφεύγεται οποιαδήποτε ανεπιθύμητη υποβάθμιση των σωματιδίων ή του υγρού.

Ανθεκτικός εξοπλισμός με εύκολο καθαρισμό

Ένας αντιδραστήρας υπερήχων αποτελείται από το δοχείο του αντιδραστήρα και το ηχοτρόδιο υπερήχων. Το ηχοτρόδιο είναι το μόνο εξάρτημα που υπόκειται σε φθορά και μπορεί να αντικατασταθεί εύκολα μέσα σε λίγα λεπτά. Οι φλάντζες αποσύζευξης ταλαντώσεων επιτρέπουν την τοποθέτηση του ηχοτροδίου σε ανοικτά ή κλειστά δοχεία που μπορούν να τεθούν υπό πίεση ή σε κυψελίδες ροής, με οποιονδήποτε προσανατολισμό. Δεν απαιτούνται έδρανα. Οι αντιδραστήρες κυψελίδας ροής κατασκευάζονται γενικά από ανοξείδωτο χάλυβα, έχουν απλή γεωμετρία και μπορούν εύκολα να αποσυναρμολογηθούν και να καθαριστούν με σκούπισμα. Δεν υπάρχουν μικρά στόμια ή κρυφές γωνίες.

Επιτόπιος καθαρισμός με υπερήχους

Η ένταση των υπερήχων που χρησιμοποιείται σε εφαρμογές διασποράς είναι πολύ υψηλότερη από εκείνη που χρησιμοποιείται στον συνήθη καθαρισμό με υπερήχους. Επομένως, η ισχύς των υπερήχων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την υποβοήθηση του καθαρισμού κατά την έκπλυση και το ξέπλυμα, καθώς η σπηλαίωση που προκαλείται από τους υπερήχους απομακρύνει σωματίδια και υγρά υπολείμματα από το ηχοτρόδιο και από τα τοιχώματα της κυψελίδας ροής.