Ultraheli dispergeerimiseks ja jahvatamiseks: värvid ja pigmendid

Võimsusultraheli on tuntud oma intensiivse ja täpselt juhitava jahvatava ning dispergeeriva toime poolest. Tänu sellele sobivad ultraheli homogenisaatorid ideaalselt pigmendipastade ja värvikoostiste tootmiseks. Tööstuslikud ultrahelisonikaatorid tagavad mikro- ja nanovahemikus väga ühtlase osakeste suuruse jaotuse. Töötle Hielscheri sonikaatoritega suuri kõrge viskoossusega vooluhulki, et saavutada homogeenne märgumine, dispergeerimine, deaglomeratsioon ja jahvatamine!

Värvide tootmine ultraheli abil

Täiusta oma värve, toonaineid ja pinnakatteid ultraheli töötlusega (sonikeerimisega):

• Koostis: Olgu tegemist kõrge viskoossuse, suure osakestesisaldusega, vesi- või lahustipõhise koostisega – Hielscheri tööstuslike läbivoolu-ultrahelisonikaatoritega saad töödelda mis tahes koostist.
• Mikro- ja nanosuurus: Akustilise kavitatsiooni tekitatavad suured nihkejõud vähendavad osakesed ülimalt väikeste läbimõõtudeni ja tagavad ühtlase dispersiooni. Ultraheli töötluse parameetrite kohandamine vastavalt osakeste ja koostise nõuetele võimaldab nanosuuruses pigmente usaldusväärselt toota.
• Optilised omadused: Õigete optiliste omaduste saavutamiseks tuleb pigmendiosakeste suurust kontrollida. Tavaliselt on läbipaistmatus seotud osakeste suurusega: mida peenem on osakeste suurus, seda suurem on läbipaistmatus. Näiteks TiO2 töödeldakse sihipäraselt osakeste suuruseni 0,20 kuni 0,3 mikronit, mis on ligikaudu võrdne poolega valguse lainepikkusest. Ultraheli töötlus vähendab TiO2 pigmendid nende optimaalse suuruseni, nii et saavutatakse maksimaalne katvus.
• Suure jõudlusega osakesed: Väiksemad osakeste suurused annavad suurema värviküllastuse, värvitugevuse püsivuse ja stabiilsuse. Intensiivsed, kuid täpselt juhitavad ultraheli jõud võimaldavad toota modifitseeritud ja funktsionaliseeritud nanoosakesi, näiteks kaetud osakesi, SWNT-sid, MWCNT-sid ja tuum-kest-osakesi. Sellised osakesed näitavad ainulaadseid omadusi ning tõstavad värvi- või pinnakattekoostised uuele kvaliteedi ja funktsionaalsuse tasemele (nt UV-kindlus, kriimustuskindlus, tugevus, nakkuvus, kõrge kuumakindlus, infrapuna- ja päikesekiirguse peegeldusvõime).
• Modifitseeritud osakesed: Pinnamodifitseeritud pigmentidel on väga madal viskoossus suure pigmendisisalduse korral (2,5cP 10% tahkete osakeste juures), suurepärane suspensiooni stabiilsus ja kõrge puhtus. Ultraheli abil toetatud osakeste funktsionaliseerimine teeb lihtsaks erilisi omadusi omavate suure jõudlusega pigmentide sünteesi.

Ultraheli kavitatsiooni ja suurte nihkejõudude abil jahvatatud ja dispergeeritud pigmendipastad näitavad märkimisväärset osakeste vähenemist ja ühtlast jaotust. Ülaltoodud graafik näitab osakeste suuruse üha suuremat vähenemist ultraheli energia suurenedes.

Värvi tootmiseks tuleb komponendid, nagu pigmendid, sideained/kilemoodustajad, lahjendid/lahustid, vaigud, täiteained ja lisandid, segada kokku homogeenseks koostiseks. Pigmendid on määrav komponent, mis annab värvile selle tooni. Kõige olulisem valge pigment on TiO2, mis tuleb jahvatada optimaalse, 0,2 kuni 0,3 mikronise läbimõõduga osakesteks, et saavutada soovitud valgusaste, heledus, läbipaistmatus ja väga kõrge murdumisnäitaja. Ultraheli nihkejõud tagavad TiO2 osakeste väga tõhusa ja energiasäästliku deaglomeratsiooni ja dispergeerimise (vt allolevat pilti).

Erineva tahkisesisaldusega ultraheliga dispergeeritud TiO2 nanoosakeste suspensiooni TEM-pilt. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) tehti, kasutades ultraheli sonikaatorit UIP1000hdT
Vasakul: ultraheli energiasisend 1,8 × 10⁵ J/L – paremal: ultraheli energiasisend 5,4 × 10⁵ J/L
(Uuring ja pildid: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ultraheli jahvatamine ja dispergeerimine parandavad värvi kvaliteeti, täiustades selle värvitugevust, tihedust, jahvatuspeenust, dispersiooni ja reoloogiat.

Ultraheli dispergeerimise ja jahvatamise tingimused

Värvide ja pinnakatete kvaliteet sõltub pigmentide homogeensest dispersioonist. Hielscher Ultrasonics pakub tõhusaid jahvatus- ja peenestusseadmeid värvide dispergeerimiseks, eriti suure pigmendisisaldusega koostiste jaoks. Ultraheli dispergaatorite toimemehhanism jahvatamisel, peenestamisel, deaglomeratsioonil ja dispergeerimisel põhineb peamiselt ultraheli kavitatsiooni tekitataval nihkeprintsiibil. Osakeste lahutamiseks vajalikud kavitatsioonilised nihkejõud tekivad suurte rõhuerinevuste, kohalike kuumade punktide ja vedelikujugade tõttu, mille tulemusena osakesed lagunevad osakestevahelise kokkupõrke läbi.
Tööstuslikud ultraheli dispergaatorid, näiteks UIP16000hdT, mille võimsus on 16 000 vatti ühe ultraheli sondi kohta, suudavad töödelda suuri värvide ja pinnakatete vooluhulki.

Ultraheliga töödeldud kriitvärv grindomeetril näitab pigmentide täiesti ühtlast deaglomeratsiooni ja osakeste suuruse jaotust

Nanoosakeste dispergeerimine

Ultraheli jahvatamine ja dispergeerimine on sageli ainus meetod nanoosakeste tõhusaks töötlemiseks, et saada eraldi dispergeeritud primaarosakesi. Väike primaarosakeste suurus tähendab suurt pindala ja on seotud ainulaadsete osakeste omaduste ja funktsioonide avaldumisega. Samal ajal on väiksem osakeste suurus seotud suure pinnaenergiaga, mis põhjustab tugevamat agregeerumist ja reaktiivsust, mistõttu on nanoosakeste homogeenseks dispergeerimiseks koostisesse vaja intensiivseid ultraheli dispergeerimisjõude.
Lisaks saab ultraheli pinnatöötlusega nanoosakesi modifitseerida, mis parandab dispergeeritavust, dispersiooni stabiilsust, hüdrofoobsust ja muid omadusi.
Uurijad on soovitanud nanoosakeste ultraheli dispergeerimismeetodit eelistatud lahendusena, “kuna ultraheli meetodil dispergeeritud materjal on palju puhtam kui kuulveskis jahvatamisel saadud materjal.” [Kim et al. 2010].

Ultraheli dispergeerimistehnikal on palju eeliseid võrreldes traditsiooniliste jahvatustehnoloogiatega, nagu kolmerullikveskid, kuulveskid või kandjaveskid.

Loe lähemalt pigmentide ja värvainete ultraheli homogeniseerimisest ja dispergeerimisest masterbatch’ide ja värvikoostiste jaoks!

Kirjandus / viited

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.