کاهش اندازهٔ ذرات جوهر با فراصوت (مثلاً برای چاپ جوهرافشان)
کاویتاسیون فراصوتی روشی مؤثر برای پراکنده‌سازی و ریزآسیاب‌کردن (آسیاب‌کاری تر) رنگدانههای جوهر است. دستگاه‌های پراکنده‌ساز فراصوتی با موفقیت در پژوهش و نیز در تولید صنعتی جوهرهای جوهرافشان UV، پایه‌آب یا پایه‌حلال به کار می‌روند.
جوهرهای جوهرافشان با پراکندگی در مقیاس نانو
فراصوت در کاهش اندازهٔ ذرات در محدودهٔ 500µm تا حدود 10nm بسیار مؤثر است.
هنگامی که فراصوت‌دهی برای پراکنده‌سازی نانوذرات در جوهر جوهرافشان به کار می‌رود، گسترهٔ رنگی جوهر، دوام و کیفیت چاپ می‌توانند به‌طور چشمگیری بهبود یابند. ازاین‌رو، سونیکاتورهای پروبی به‌طور گسترده در تولید جوهرهای جوهرافشان حاوی نانوذرات، جوهرهای تخصصی (مانند جوهرهای رسانا، جوهرهای قابل‌استفاده در چاپ 3D و جوهرهای تاتو) و رنگ‌ها استفاده می‌شوند.
پراکنده‌سازهای فراصوتی 2x 1000 وات در کابینت قابل پاک‌سازی با جریان گاز برای نانوپراکنه‌ها.
نمودارهای زیر نمونه‌ای از مقایسهٔ رنگدانههای سیاه فراصوت‌دهی‌نشده با رنگدانههای پراکنده‌شده با فراصوت در جوهر جوهرافشان را نشان می‌دهند. تیمار فراصوتی با پروب فراصوتی UIP1000hdT انجام شد. نتیجهٔ تیمار فراصوتی، اندازهٔ ذرات به‌وضوح کوچک‌تر و توزیع اندازهٔ ذرات بسیار باریک است.
پراکنده‌سازی فراصوتی به تولید رنگدانههای جوهر با اندازهٔ به‌مراتب کوچک‌تر و یکنواخت‌تر منجر می‌شود. (نمودار سبز: پیش از فراصوت‌دهی – نمودار قرمز: پس از فراصوت‌دهی)
پراکنده‌سازی فراصوتی چگونه کیفیت جوهر جوهرافشان را بهبود می‌دهد؟
سونیکاتورهای با شدت بالا برای پراکنده‌سازی، کاهش اندازه و توزیع یکنواخت نانوذرات بسیار کارآمد هستند.
این بدان معناست که پراکنده‌سازی نانوذرات با فراصوت در جوهر جوهرافشان می‌تواند عملکرد و دوام آن را بهبود دهد. نانوذرات، ذرات بسیار کوچکی با اندازه‌های بین 1 تا 100 نانومتر هستند و ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند که می‌توانند جوهر جوهرافشان را از چند جهت بهبود دهند.
- نخست، نانوذرات می‌توانند گسترهٔ رنگی جوهر جوهرافشان را بهبود دهند؛ منظور از گسترهٔ رنگی، مجموعهٔ رنگ‌هایی است که می‌توان تولید کرد. هنگامی که نانوذرات با یک سونیکاتور پروبی به‌طور یکنواخت پراکنده می‌شوند، جوهر در نتیجه رنگ‌هایی زنده‌تر و اشباع‌تر ایجاد می‌کند. دلیل این امر آن است که نانوذرات می‌توانند نور را به شیوه‌هایی پراکنده و بازتاب کنند که رنگزاها و رنگدانههای متداول قادر به آن نیستند؛ در نتیجه، بازتولید رنگ بهبود می‌یابد.
- دوم، نانوذراتی که به‌طور همگن پراکنده شده‌اند می‌توانند مقاومت جوهر جوهرافشان را در برابر رنگ‌پریدگی، آب و لکه‌شدن افزایش دهند. دلیل این امر آن است که نانوذرات می‌توانند پیوند محکم‌تری با کاغذ یا بسترهای دیگر برقرار کنند و تصویری بادوام‌تر و ماندگارتر بسازند. افزون بر این، نانوذرات می‌توانند از پخش‌شدن ناخواستهٔ جوهر در بافت کاغذ جلوگیری کنند؛ پدیده‌ای که می‌تواند باعث لکه‌شدن و کاهش وضوح تصویر چاپ‌شده شود.
- در نهایت، نانوذرات پراکنده‌شده با فراصوت می‌توانند کیفیت و تفکیک‌پذیری چاپ با جوهر جوهرافشان را نیز بهبود دهند. پراکنده‌سازهای فراصوتی در آسیاب‌کاری و اختلاط نانوذرات در مایعات کارایی فوق‌العاده‌ای دارند. با استفاده از ذرات کوچک‌تر، جوهر می‌تواند خطوط ظریف‌تر و دقیق‌تری ایجاد کند و در نتیجه تصاویری واضح‌تر و شفاف‌تر به دست آید. این موضوع به‌ویژه در کاربردهایی مانند چاپ عکس با کیفیت بالا و چاپ آثار هنری اهمیت دارد.
کنترل پارامترهای فرایند و نتایج پراکنده‌سازی
اندازهٔ ذرات و توزیع اندازهٔ ذرات رنگدانههای جوهر بر بسیاری از ویژگی‌های محصول، مانند قدرت رنگ‌دهی یا کیفیت چاپ، تأثیر می‌گذارند. در چاپ جوهرافشان، مقدار اندکی از ذرات درشت‌تر می‌تواند به ناپایداری پراکنه، ته‌نشینی یا ازکارافتادن نازل جوهرافشان منجر شود. به همین دلیل، کنترل مناسب فرایند کاهش اندازه که در تولید به کار می‌رود، برای کیفیت جوهر جوهرافشان اهمیت دارد.
هموژنایزر فراصوتی UIP1000hdT برای نانوپراکنه‌ها
پردازش درون‌خطی نانوپراکنه‌ها برای جوهرهای جوهرافشان
راکتورهای فراصوتی Hielscher معمولاً به‌صورت درون‌خطی استفاده می‌شوند. جوهر جوهرافشان به داخل مخزن راکتور پمپ می‌شود و در آنجا در معرض کاویتاسیون فراصوتی با شدت کنترل‌شده قرار می‌گیرد. زمان مواجهه تابع حجم راکتور و دبی خوراک مواد است. فراصوت‌دهی درون‌خطی عبور میان‌بُر را حذف می‌کند، زیرا همهٔ ذرات از مسیری مشخص از محفظهٔ راکتور عبور می‌کنند. ازآنجاکه همهٔ ذرات در هر چرخه برای مدت یکسان در معرض پارامترهای یکسان فراصوت‌دهی قرار می‌گیرند، فراصوت‌دهی معمولاً منحنی توزیع را باریک و جابه‌جا می‌کند، نه اینکه آن را پهن‌تر کند. پراکنده‌سازی فراصوتی، توزیع‌های نسبتاً متقارن اندازهٔ ذرات ایجاد می‌کند. به‌طور کلی، دنباله‌دارشدن به سمت راست – چولگی منفی منحنی ناشی از جابه‌جایی به سمت مواد درشت‌تر («دنباله» در سمت راست) – در نمونه‌های فراصوت‌دهی‌شده مشاهده نمی‌شود.
پراکنده‌سازی در دماهای کنترل‌شده: خنک‌کاری فرایند
برای محیط‌های حامل حساس به دما، Hielscher راکتورهای سلول جریان ژاکت‌دار را برای همهٔ دستگاه‌های آزمایشگاهی و صنعتی عرضه می‌کند. با خنک‌کردن دیواره‌های داخلی راکتور، گرمای فرایند را می‌توان به‌طور مؤثر دفع کرد.
تصاویر زیر رنگدانهٔ کربن سیاه پراکنده‌شده با پروب فراصوتی UIP1000hdT در جوهر UV را نشان می‌دهند.
پراکنده‌سازی فراصوتی، کاهش مؤثر اندازهٔ ذرات و توزیع یکنواخت رنگدانههای کربن سیاه را در جوهر UV تضمین می‌کند.
پراکنده‌سازی و کلوخه‌زدایی جوهرهای جوهرافشان در هر مقیاس
Hielscher تجهیزات پراکنده‌سازی فراصوتی را برای پردازش جوهرها در هر حجمی تولید می‌کند. هموژنایزرهای فراصوتی آزمایشگاهی برای حجم‌های 1٫5mL تا حدود 2L به کار می‌روند و برای مرحلهٔ تحقیق و توسعهٔ فرمولاسیون جوهرها و نیز آزمون‌های کیفیت ایدئال هستند. افزون بر این، آزمون‌های امکان‌سنجی در آزمایشگاه، انتخاب دقیق اندازهٔ تجهیزات موردنیاز برای تولید تجاری را امکان‌پذیر می‌کنند.
پراکنده‌سازهای فراصوتی صنعتی در تولید برای بچ‌هایی از 0٫5 تا حدود 2000L یا دبی‌هایی از 0٫1L تا 20m³ در ساعت استفاده می‌شوند. برخلاف سایر فناوری‌های پراکنده‌سازی و آسیاب‌کاری، مقیاس فراصوت‌دهی را می‌توان به‌راحتی افزایش داد، زیرا همهٔ پارامترهای مهم فرایند را می‌توان به‌صورت خطی مقیاس‌گذاری کرد.
جدول زیر توصیه‌های کلی برای انتخاب سونیکاتور را بر اساس حجم بچ یا دبی موردنیاز برای پردازش نشان می‌دهد.
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
پراکنده‌سازهای فراصوتی چگونه کار می‌کنند؟ – اصل عملکرد کاویتاسیون آکوستیکی
کاویتاسیون فراصوتی فرایندی است که از امواج صوتی پربسامد برای ایجاد حباب‌های کوچک گاز در یک مایع استفاده می‌کند. هنگامی که حباب‌ها در معرض فشار بالا قرار می‌گیرند، ممکن است فروبپاشند یا به درون منفجر شوند و انرژی را به‌طور ناگهانی آزاد کنند. از این انرژی می‌توان برای پراکنده‌سازی ذرات در مایع و شکستن آن‌ها به ذرات کوچک‌تر استفاده کرد.
در کاویتاسیون فراصوتی، امواج صوتی توسط یک مبدل فراصوتی تولید می‌شوند که معمولاً روی یک پروب یا هورن نصب می‌شود. مبدل، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی به شکل امواج صوتی تبدیل می‌کند؛ سپس این امواج از طریق پروب یا هورن به مایع منتقل می‌شوند. هنگامی که امواج صوتی به مایع می‌رسند، امواج پرفشاری ایجاد می‌کنند که می‌توانند موجب انفجار حباب‌های گاز به درون شوند.
کاویتاسیون فراصوتی کاربردهای بالقوهٔ متعددی در فرایندهای پراکنده‌سازی دارد؛ از جمله تولید امولسیون‌ها، پراکنده‌سازی رنگدانه‌ها و پرکننده‌ها، و کلوخه‌زدایی ذرات. کاویتاسیون فراصوتی می‌تواند روشی مؤثر برای پراکنده‌سازی ذرات باشد، زیرا می‌تواند نیروهای برشی زیاد ایجاد کند و انرژی بالایی وارد کند؛ همچنین سایر پارامترهای مهم فرایند، مانند دما و فشار، را می‌توان به‌دقت کنترل کرد. این امر تطبیق فرایند با نیازهای خاص هر کاربرد را امکان‌پذیر می‌کند. این کنترل دقیق فرایند یکی از مزایای برجستهٔ فراصوت‌دهی است، زیرا محصولات باکیفیت را می‌توان به‌طور قابل‌اعتماد و تکرارپذیر تولید کرد و از هرگونه تخریب ناخواستهٔ ذرات یا مایع جلوگیری می‌شود.
مقاوم و با قابلیت تمیزکاری آسان
یک راکتور فراصوتی از مخزن راکتور و سونوتْرود فراصوتی تشکیل می‌شود. سونوتْرود تنها قطعه‌ای است که در معرض سایش قرار دارد و می‌توان آن را به‌آسانی ظرف چند دقیقه تعویض کرد. فلنج‌های جداساز نوسان امکان نصب سونوتْرود را با هر جهتی در مخازن باز یا بستهٔ قابل تحت‌فشار قرارگیری، یا در سلول‌های جریان فراهم می‌کنند. به هیچ یاتاقانی نیاز نیست. راکتورهای سلول جریان عموماً از فولاد زنگ‌نزن ساخته می‌شوند، هندسهٔ ساده‌ای دارند و به‌راحتی می‌توان آن‌ها را باز کرد و با دستمال تمیز کرد. هیچ روزنهٔ کوچک یا گوشهٔ پنهانی وجود ندارد.
تمیزکاری درجا با فراصوت
شدت فراصوت مورد استفاده برای کاربردهای پراکنده‌سازی بسیار بیشتر از شدت مورد استفاده در تمیزکاری فراصوتی معمول است. بنابراین می‌توان از توان فراصوتی برای کمک به تمیزکاری هنگام شست‌وشو با جریان سیال و آبکشی استفاده کرد، زیرا کاویتاسیون فراصوتی ذرات و بقایای مایع را از سونوتْرود و دیواره‌های سلول جریان جدا می‌کند.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
- 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, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Poinern G.E., Brundavanam R., Thi-Le X., Djordjevic S., Prokic M., Fawcett D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. Int J Nanomedicine. 2011; 6: 2083–2095.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.