Tindi ultraheli abil osakeste vähendamine (nt inkjet-tindi jaoks)

Ultraheli kavitatsioon on tõhus vahend tindipigmentide dispergeerimiseks ja mikrojahvatamiseks (märgjahvatus). Ultraheli dispergaatoreid kasutatakse edukalt nii teadustöös kui ka UV-, vesi- või lahustipõhiste inkjet-tinte tööstuslikus tootmises.

Nanodispergeeritud inkjet-tindid

Ultraheli on väga tõhus osakeste suuruse vähendamisel vahemikus 500µm kuni ligikaudu 10nm.
Kui nanoosakeste dispergeerimiseks inkjet-tindis kasutatakse ultraheli töötlust, saab tindi värviskaalat, vastupidavust ja trükikvaliteeti oluliselt parandada. Seetõttu kasutatakse sondtüüpi sonikaatoreid laialdaselt nanoosakesi sisaldavate inkjet-tinte, eritinte (nt juhtivad tindid, 3D-prinditavad tindid, tätoveerimistindid) ja värvide tootmisel.

Allolevad graafikud näitavad näidet sonikeerimata ja ultraheliga dispergeeritud mustade pigmentide kohta inkjet-tindis. Ultraheli töötlus tehti ultraheli sondiga UIP1000hdT. Ultraheli töötluse tulemuseks on nähtavalt väiksem osakeste suurus ja väga kitsas osakeste suuruse jaotus.

Ultraheli dispergeerimine annab oluliselt väiksemad ja ühtlasemad tindipigmendid. (roheline graafik: enne sonikeerimist – punane graafik: pärast sonikeerimist)

Kuidas parandab ultraheli dispergeerimine inkjet-tindi kvaliteeti?

Suure intensiivsusega sonikaatorid on nanoosakeste dispergeerimisel, vähendamisel ja ühtlasel jaotamisel väga tõhusad.
See tähendab, et nanoosakeste dispergeerimine inkjet-tindis ultraheliga võib parandada tindi toimivust ja vastupidavust. Nanoosakesed on väga väikesed osakesed suurusega vahemikus 1 kuni 100 nanomeetrit ning neil on ainulaadsed omadused, mis võivad inkjet-tinti mitmel viisil parandada.

• Esiteks võivad nanoosakesed parandada inkjet-tindi värviskaalat, mis tähistab toodetavate värvitoonide vahemikku. Kui nanoosakesed on sondtüüpi sonikaatoriga ühtlaselt dispergeeritud, on tindi värvid selle tulemusel elavamad ja küllastunumad. Põhjus on selles, et nanoosakesed võivad valgust hajutada ja peegeldada viisil, milleks traditsioonilised värvained ja pigmendid ei suuda, mis parandab värvide taasesitust.
• Teiseks võivad homogeenselt dispergeeritud nanoosakesed suurendada inkjet-tindi vastupidavust pleekimisele, veele ja määrdumisele. Põhjus on selles, et nanoosakesed võivad paberi või muu aluspinnaga tugevamalt seonduda, luues vastupidavama ja kauem säiliva kujutise. Lisaks võivad nanoosakesed takistada tindi hajumist paberisse, mis võib põhjustada määrdumist ja vähendada trükitud kujutise teravust.
• Lõpuks võivad ultraheliga dispergeeritud nanoosakesed parandada ka inkjet-tindi trükikvaliteeti ja eraldusvõimet. Ultraheli dispergaatorid on erakordselt tõhusad nanoosakeste jahvatamisel ja segamisel vedelikes. Väiksemate osakeste kasutamisel suudab tint luua peenemaid ja täpsemaid jooni, mille tulemuseks on teravamad ja selgemad kujutised. See on eriti oluline sellistes rakendustes nagu kvaliteetne fototrükk ja kujutava kunsti trükk.

Protsessiparameetrite ja dispersiooni tulemuste kontroll

Tindipigmentide osakeste suurus ja osakeste suuruse jaotus mõjutavad paljusid toote omadusi, näiteks värvitugevust või trükikvaliteeti. Inkjet-trüki puhul võib väike hulk suuremaid osakesi põhjustada dispersiooni ebastabiilsust, settimist või inkjet-düüsi ummistumist. Seetõttu on inkjet-tindi kvaliteedi jaoks oluline tootmises kasutatava osakeste vähendamise protsessi hea kontroll.

Nanodispersioonide läbivoolutöötlus inkjet-tintide jaoks

Hielscheri ultraheli reaktoreid kasutatakse tavaliselt vooluliinis (in-line). Tindiprinteri tint pumbatakse reaktorianumasse. Seal mõjub sellele kontrollitud intensiivsusega ultraheli kavitatsioon. Kokkupuuteaeg sõltub reaktori mahust ja materjali etteandekiirusest. Vooluliinis (inline) ultraheli töötlus välistab möödavoolu, sest kõik osakesed läbivad reaktorikambrit kindlaksmääratud trajektooril. Kuna kõik osakesed puutuvad igal tsüklil sama aja jooksul kokku identsete ultraheli töötluse parameetritega, kitsendab ja nihutab ultraheli töötlus jaotuskõverat tavaliselt, selle asemel et seda laiendada. Ultraheli dispergeerimine annab suhteliselt sümmeetrilise osakeste suurusjaotuse. Üldiselt ei ole sonikeeritud proovidel täheldatav parempoolne sabastumine – kõvera negatiivne asümmeetria, mille põhjustab nihe jämedamate materjalide suunas („saba“ paremal).

Dispergeerimine kontrollitud temperatuuridel: protsessi jahutamine

Temperatuuritundlike kandjate jaoks pakub Hielscher kõigile labori- ja tööstusseadmetele jahutusmantliga läbivoolukamberreaktoreid. Reaktori sisemisi seinu jahutades saab protsessisoojust tõhusalt ära juhtida.

Alloleval pildil on UV-tindis ultraheli sondiga UIP1000hdT dispergeeritud tahmapigment.

Ultraheli dispergeerimine tagab tahmapigmentide tõhusa osakeste suuruse vähendamise ja ühtlase jaotumise UV-tindis.

Tindiprinteri tintide dispergeerimine ja deaglomeratsioon igas mastaabis

Hielscher valmistab ultraheli dispergeerimisseadmeid tintide töötlemiseks mis tahes mahus. Ultraheli laborihomogenisaatoreid kasutatakse mahtudele 1,5 mL kuni ligikaudu 2 L ning need sobivad ideaalselt tindirecepti uurimis- ja arendusetapiks ning kvaliteedikontrolli katseteks. Lisaks võimaldavad laboris tehtavad teostatavuskatsed valida tööstuslikuks tootmiseks vajaliku seadme suuruse täpselt.
Tööstuslikke ultraheli dispergeerijaid kasutatakse tootmises partiide puhul alates 0,5 kuni ligikaudu 2000L või vooluhulkade puhul 0,1L kuni 20m³ tunnis. Erinevalt teistest dispergeerimis- ja jahvatustehnoloogiatest on ultraheli töötlust lihtne skaleerida, kuna kõiki olulisi protsessiparameetreid saab skaleerida lineaarselt.

Allolev tabel näitab üldisi ultraheli seadmete soovitusi sõltuvalt töödeldavast partii mahust või vooluhulgast.

 
Kuidas ultraheli dispergeerijad töötavad? – Akustilise kavitatsiooni tööpõhimõte
Ultraheli kavitatsioon on protsess, mis kasutab kõrgsageduslikke helilaineid väikeste gaasimullide tekitamiseks vedelikus. Kui mullid puutuvad kokku kõrge rõhuga, võivad need kokku kukkuda ehk implodeeruda, vabastades energiapurske. Seda energiat saab kasutada osakeste dispergeerimiseks vedelikus, lõhkudes need väiksemateks osakesteks.
Ultraheli kavitatsiooni korral tekitab helilained ultraheli muundur, mis on tavaliselt paigaldatud sondile ehk sarvele (horn). Muundur muudab elektrienergia helilainete kujul mehaaniliseks energiaks, mis seejärel kantakse sondi ehk sarve kaudu vedelikku. Kui helilained jõuavad vedelikuni, tekitavad need kõrgrõhulaineid, mis võivad põhjustada gaasimullide implodeerumist.
Ultraheli kavitatsioonil on dispergeerimisprotsessides mitu võimalikku rakendust, sealhulgas emulsioonide tootmine, pigmentide ja täiteainete dispergeerimine ning osakeste deaglomeratsioon. Ultraheli kavitatsioon võib olla tõhus viis osakeste dispergeerimiseks, kuna see võib tekitada suuri nihkejõude ja energiasisendit ning muid olulisi protsessiparameetreid, näiteks temperatuuri ja rõhku, saab täpselt kontrollida, mis võimaldab kohandada protsessi rakenduse konkreetsetele vajadustele. See täpne protsessikontroll on üks ultraheli töötluse silmapaistvaid eeliseid, sest kvaliteetseid tooteid saab toota usaldusväärselt ja reprodutseeritavalt ning vältida osakeste või vedeliku soovimatut lagunemist.

Vastupidav ja lihtsasti puhastatav

Ultraheli reaktor koosneb reaktorianumast ja ultraheli sonotroodist. See on ainus osa, mis kulub, ning seda saab mõne minutiga hõlpsasti välja vahetada. Võnkumist lahtisidestavad äärikud võimaldavad sonotroodi paigaldada avatud või suletud survestatavatesse mahutitesse või läbivoolukambritesse mis tahes asendis. Laagreid pole vaja. Läbivoolukambriga reaktorid on üldjuhul valmistatud roostevabast terasest, neil on lihtsad geomeetriad ning neid saab kergesti lahti võtta ja puhtaks pühkida. Väikesi avasid või varjatud nurki ei ole.

Ultraheli puhastus kohapeal

Dispergeerimisel kasutatav ultraheli intensiivsus on palju suurem kui tavalisel ultraheli puhastusel. Seetõttu saab ultraheli võimsust kasutada puhastamise toetamiseks loputamise ja läbipesemise ajal, kuna ultraheli kavitatsioon eemaldab osakesed ja vedelikujäägid sonotroodilt ning läbivoolukambri seintelt.