Reducción ultrasónica del tamaño de las partículas de tinta (p. ej., para impresión por inyección de tinta)

La cavitación ultrasónica es un método eficaz para la dispersión y la micromolienda (molienda húmeda) de pigmentos de tinta. Los dispersores ultrasónicos se utilizan con éxito tanto en investigación como en la fabricación industrial de tintas para impresión por inyección de tinta de curado UV, de base acuosa o de base disolvente.

Tintas nanodispersadas para impresión por inyección de tinta

Los ultrasonidos son muy eficaces para reducir el tamaño de las partículas en el intervalo comprendido entre 500 µm y aproximadamente 10 nm.
Cuando se utiliza la ultrasonicación para dispersar nanopartículas en tintas para impresión por inyección de tinta, pueden mejorarse sustancialmente la gama cromática, la durabilidad y la calidad de impresión. Por ello, los sonicadores de sonda se utilizan ampliamente en la fabricación de tintas para impresión por inyección de tinta que contienen nanopartículas, tintas especiales (p. ej., tintas conductoras, tintas para impresión 3D y tintas para tatuajes) y pinturas.
 

Los gráficos siguientes muestran un ejemplo de pigmentos negros en tinta para impresión por inyección de tinta sin sonicar y dispersados por ultrasonidos. El tratamiento ultrasónico se realizó con la sonda ultrasónica UIP1000hdT. El resultado del tratamiento ultrasónico es un tamaño de partícula visiblemente menor y una distribución de tamaños de partícula muy estrecha.

La dispersión ultrasónica produce pigmentos de tinta significativamente más pequeños y uniformes. (gráfico verde: antes de la sonicación – gráfico rojo: después de la sonicación)

¿Cómo mejora la dispersión ultrasónica la calidad de las tintas para impresión por inyección de tinta?

Los sonicadores de alta intensidad son muy eficaces para la dispersión, la reducción de tamaño y la distribución uniforme de nanopartículas.
Esto significa que dispersar nanopartículas mediante ultrasonidos en tintas para impresión por inyección de tinta puede mejorar su rendimiento y durabilidad. Las nanopartículas son partículas muy pequeñas, con tamaños comprendidos entre 1 y 100 nanómetros, y poseen propiedades únicas que pueden mejorar estas tintas de varias maneras.

• En primer lugar, las nanopartículas pueden mejorar la gama cromática de las tintas para impresión por inyección de tinta, es decir, el conjunto de colores que pueden producirse. Cuando las nanopartículas se dispersan uniformemente con un sonicador de sonda, la tinta presenta, en consecuencia, colores más vivos y saturados. Esto se debe a que las nanopartículas pueden dispersar y reflejar la luz de formas que los colorantes y pigmentos tradicionales no pueden, lo que mejora la reproducción del color.
• En segundo lugar, las nanopartículas dispersadas homogéneamente pueden aumentar la resistencia de las tintas para impresión por inyección de tinta a la pérdida de color, al agua y al emborronamiento. Esto se debe a que las nanopartículas pueden unirse con mayor fuerza al papel o a otro sustrato, creando una imagen más resistente y duradera. Además, las nanopartículas pueden evitar que la tinta se extienda por el papel, lo que puede provocar emborronamiento y reducir la nitidez de la imagen impresa.
• Por último, las nanopartículas dispersadas por ultrasonidos también pueden mejorar la calidad y la resolución de impresión de las tintas para impresión por inyección de tinta. Los dispersores ultrasónicos son excepcionalmente eficaces para moler y mezclar nanopartículas en líquidos. Al utilizar partículas más pequeñas, la tinta puede crear líneas más finas y precisas, lo que da lugar a imágenes más nítidas y claras. Esto es especialmente importante en aplicaciones como la impresión fotográfica de alta calidad y la impresión de obras de arte.

Control de los parámetros del proceso y de los resultados de dispersión

El tamaño de partícula y la distribución de tamaños de partícula de los pigmentos de tinta afectan a muchas características del producto, como el poder colorante o la calidad de impresión. En la impresión por inyección de tinta, una pequeña cantidad de partículas de mayor tamaño puede provocar inestabilidad de la dispersión, sedimentación o fallos en las boquillas de inyección de tinta. Por esta razón, para garantizar la calidad de la tinta es importante controlar adecuadamente el proceso de reducción de tamaño utilizado en la producción.

Procesamiento en línea de nanodispersiones para tintas de impresión por inyección de tinta

Los reactores ultrasónicos Hielscher se utilizan habitualmente en línea. La tinta para impresión por inyección de tinta se bombea al recipiente del reactor, donde se expone a cavitación ultrasónica con una intensidad controlada. El tiempo de exposición depende del volumen del reactor y del caudal de alimentación del material. La sonicación en línea elimina el paso de material sin tratar, ya que todas las partículas atraviesan la cámara del reactor siguiendo un recorrido definido. Como todas las partículas se exponen a parámetros de sonicación idénticos durante el mismo tiempo en cada ciclo, la ultrasonicación suele estrechar y desplazar la curva de distribución en lugar de ensancharla. La dispersión ultrasónica produce distribuciones de tamaños de partícula relativamente simétricas. Por lo general, en las muestras sonicadas no se observa una cola hacia la derecha – una asimetría negativa de la curva causada por un desplazamiento hacia el material más grueso («cola» a la derecha) –.

Dispersión a temperaturas controladas: refrigeración del proceso

Para vehículos sensibles a la temperatura, Hielscher ofrece reactores de celda de flujo con camisa de refrigeración para todos los equipos de laboratorio e industriales. Al refrigerar las paredes internas del reactor, el calor del proceso puede disiparse eficazmente.

Las imágenes siguientes muestran pigmento de negro de carbono dispersado con la sonda ultrasónica UIP1000hdT en tinta de curado UV.

La dispersión ultrasónica garantiza una reducción eficaz del tamaño de partícula y una distribución uniforme de los pigmentos de negro de carbono en tinta de curado UV.

Dispersión y desaglomeración de tintas para impresión por inyección de tinta a cualquier escala

Hielscher fabrica equipos de dispersión ultrasónica para procesar tintas de cualquier volumen. Los homogeneizadores ultrasónicos de laboratorio se utilizan para volúmenes de 1,5 mL a aproximadamente 2 L y son ideales tanto para la fase de I+D de formulaciones de tinta como para los ensayos de calidad. Además, los ensayos de viabilidad en laboratorio permiten seleccionar con precisión el tamaño de equipo necesario para la producción comercial.
Los dispersores ultrasónicos industriales se utilizan en la producción de lotes de 0,5 a aproximadamente 2000 L o con caudales de 0,1 L a 20 m³ por hora. A diferencia de otras tecnologías de dispersión y molienda, la ultrasonicación puede escalarse fácilmente, ya que todos los parámetros importantes del proceso pueden escalarse linealmente.

La tabla siguiente presenta recomendaciones generales de sonicadores en función del volumen del lote o del caudal que se vaya a procesar.

 
¿Cómo funcionan los dispersores ultrasónicos? – El principio de funcionamiento de la cavitación acústica
La cavitación ultrasónica es un proceso que utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para generar pequeñas burbujas de gas en un líquido. Cuando las burbujas se someten a una presión elevada, pueden colapsar o implosionar y liberar una ráfaga de energía. Esta energía puede utilizarse para dispersar partículas en el líquido, fragmentándolas en partículas más pequeñas.
En la cavitación ultrasónica, las ondas sonoras se generan mediante un transductor ultrasónico, que suele estar montado en una sonda o un sonotrodo. El transductor convierte la energía eléctrica en energía mecánica en forma de ondas sonoras, que después se transmiten al líquido a través de la sonda o el sonotrodo. Cuando las ondas sonoras llegan al líquido, crean ondas de alta presión que pueden provocar la implosión de las burbujas de gas.
La cavitación ultrasónica tiene varias aplicaciones potenciales en los procesos de dispersión, entre ellas la producción de emulsiones, la dispersión de pigmentos y cargas, y la desaglomeración de partículas. La cavitación ultrasónica puede ser un método eficaz para dispersar partículas porque puede generar fuerzas de cizallamiento elevadas y un gran aporte de energía; además, otros parámetros importantes del proceso, como la temperatura y la presión, pueden controlarse con precisión, lo que permite adaptar el proceso a las necesidades específicas de la aplicación. Este control preciso del proceso es una de las principales ventajas de la sonicación, ya que permite obtener productos de alta calidad de forma fiable y reproducible y evita cualquier degradación no deseada de las partículas o del líquido.

Robusto y fácil de limpiar

Un reactor ultrasónico consta del recipiente del reactor y del sonotrodo ultrasónico. Este último es la única pieza sujeta a desgaste y puede sustituirse fácilmente en cuestión de minutos. Las bridas de desacoplamiento de oscilaciones permiten montar el sonotrodo en recipientes abiertos o cerrados presurizables, o en celdas de flujo, en cualquier orientación. No se necesitan rodamientos. Los reactores de celda de flujo suelen fabricarse en acero inoxidable, tienen geometrías sencillas y pueden desmontarse y limpiarse con un paño fácilmente. No hay orificios pequeños ni rincones ocultos.

Limpieza ultrasónica in situ

La intensidad ultrasónica utilizada en las aplicaciones de dispersión es mucho mayor que la empleada en la limpieza ultrasónica habitual. Por ello, la potencia ultrasónica puede utilizarse para facilitar la limpieza durante el lavado por circulación y el enjuague, ya que la cavitación ultrasónica elimina las partículas y los residuos líquidos del sonotrodo y de las paredes de la celda de flujo.