Musteen ultraäänikoon pienentäminen (esim. mustesuihkutulostimelle)

Ultraäänikavitaatio on tehokas keino mustepigmenttien dispergointiin ja mikrohiontaan (märkäjyrsintään). Ultraäänidispergointiaineita käytetään menestyksekkäästi UV-, vesi- tai liuotinpohjaisten mustesuihkumusteiden tutkimuksessa ja teollisessa valmistuksessa.

Nanodispergoidut mustesuihkumusteet

Ultraääni on erittäin tehokas hiukkasten koon pienentämisessä välillä 500 μm - noin 10 nm.
Kun ultrasonicationia käytetään nanohiukkasten hajottamiseen mustesuihkumusteessa, musteen värivalikoimaa, kestävyyttä ja tulostuslaatua voidaan parantaa huomattavasti. Siksi koetintyyppisiä ultraäänilaitteita käytetään laajalti nanohiukkasia sisältävien mustesuihkumusteiden, erikoismusteiden (esim. johtavat musteet, 3D-tulostettavat musteet, tatuointivärit) ja maalien valmistuksessa.
 

Alla olevat kaaviot esittävät esimerkin ei-sonikoiduista vs. ultraäänellä dispergoiduista mustista pigmenteistä mustesuihkumusteessa. Ultraäänihoito suoritettiin ultraäänianturilla UIP1000hdT. Ultraäänikäsittelyn tulos on näkyvästi pienempi hiukkaskoko ja hyvin kapea hiukkaskokojakauma.

Ultraäänidispersio johtaa huomattavasti pienempiin ja yhtenäisempiin mustepigmentteihin. (vihreä kaavio: ennen sonikaatiota – punainen kaavio: sonikoinnin jälkeen)

Miten ultraäänidispersio parantaa mustesuihkumusteen laatua?

Korkean intensiteetin ultraääniastiat ovat erittäin tehokkaita nanohiukkasten dispersioon, koon pienentämiseen ja tasaiseen jakautumiseen.
Tämä tarkoittaa, että nanohiukkasten kuiskaaminen ultraäänellä mustesuihkumusteessa voi parantaa sen suorituskykyä ja kestävyyttä. Nanohiukkaset ovat hyvin pieniä hiukkasia, joiden koko on 1–100 nanometriä, ja niillä on ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka voivat parantaa mustesuihkumustetta monin tavoin.

• Ensinnäkin nanohiukkaset voivat parantaa mustesuihkumusteen väriasteikkoa, joka viittaa tuotettavien värien valikoimaan. Kun nanohiukkaset dispergoidaan tasaisesti koetintyyppisellä ultraäänilaitteella, musteella on siten elävämpiä ja kylläisempiä värejä. Tämä johtuu siitä, että nanohiukkaset voivat hajottaa ja heijastaa valoa tavoilla, joihin perinteiset väriaineet ja pigmentit eivät pysty, mikä parantaa värintoistoa.
• Toiseksi homogeenisesti dispergoituneet nanohiukkaset voivat lisätä mustesuihkumusteen kestävyyttä haalistumiselle, vedelle ja tahroille. Tämä johtuu siitä, että nanohiukkaset voivat sitoutua voimakkaammin paperiin tai muuhun alustaan, mikä luo kestävämmän ja pitkäkestoisemman kuvan. Lisäksi nanohiukkaset voivat estää musteen vuotamisen paperiin, mikä voi aiheuttaa tahroja ja heikentää tulostetun kuvan terävyyttä.
• Lopuksi, ultraäänellä dispergoituneet nanohiukkaset voivat myös parantaa mustesuihkumusteen tulostuslaatua ja resoluutiota. Ultraäänidispergointilaitteet ovat poikkeuksellisen tehokkaita nanohiukkasten jauhamisessa ja sekoittamisessa nesteisiin. Käyttämällä pienempiä hiukkasia muste voi luoda hienompia ja tarkempia viivoja, mikä johtaa terävämpiin ja selkeämpiin kuviin. Tämä on erityisen tärkeää esimerkiksi korkealaatuisessa valokuvatulostuksessa ja taidetulostuksessa.

Prosessiparametrien ja dispersiotulosten hallinta

Mustepigmenttien hiukkaskoko ja hiukkaskokojakauma vaikuttavat moniin tuotteen ominaisuuksiin, kuten sävytyslujuuteen tai tulostuslaatuun. Mustesuihkutulostuksessa pieni määrä suurempia hiukkasia voi johtaa dispersion epävakauteen, sedimentoitumiseen tai mustesuihkusuuttimen vikaantumiseen. Tästä syystä on tärkeää, että mustesuihkumusteen laatu hallitsee hyvin tuotannossa käytettyä koon pienentämisprosessia.

Mustesuihkumusteiden nanodispersioiden inline-käsittely

Hielscherin ultraäänireaktoreita käytetään yleisesti linjassa. Mustesuihkumuste pumpataan reaktoriastiaan. Siellä se altistuu ultraäänikavitaatiolle kontrolloidulla intensiteetillä. Valotusaika on seurausta reaktorin tilavuudesta ja materiaalin syöttönopeudesta. Inline-sonikaatio eliminoi ohituksen, koska kaikki hiukkaset kulkevat reaktorikammion läpi määritellyn polun jälkeen. Koska kaikki hiukkaset altistuvat identtisille sonikaatioparametreille samaan aikaan jokaisen syklin aikana, ultrasonication tyypillisesti kaventaa ja siirtää jakelukäyrää sen sijaan, että laajentaisi sitä. Ultraäänidispersio tuottaa suhteellisen symmetrisiä hiukkaskokojakaumia. Yleensä oikea pyrstö – käyrän negatiivinen vinouma, joka johtuu siirtymisestä karkeihin materiaaleihin ("häntä" oikealla) – ei voida havaita sonikoiduissa näytteissä.

Dispersio kontrolloiduissa lämpötiloissa: prosessin jäähdytys

Lämpötilaherkille ajoneuvoille Hielscher tarjoaa vaippaisia virtauskennoreaktoreita kaikille laboratorio- ja teollisuuslaitteille. Jäähdyttämällä reaktorin sisäseinät prosessilämpöä voidaan johtaa tehokkaasti.

Alla olevissa kuvissa näkyy hiilimusta pigmentti, joka on dispergoitu ultraäänianturilla UIP1000hdT UV-musteessa.

Ultraäänidispersio varmistaa tehokkaan hiukkaskoon pienentämisen ja hiilimustien pigmenttien tasaisen jakautumisen UV-musteessa.

Mustesuihkumusteiden dispergointi ja deagglomeraatio missä tahansa mittakaavassa

Hielscher valmistaa ultraäänidispergointilaitteita musteiden käsittelyyn missä tahansa tilavuudessa. Ultraäänilaboratoriohomogenisaattoreita käytetään tilavuuksiin 1,5 ml - noin 2 l ja ne ovat ihanteellisia musteformulaatioiden R + D-vaiheeseen sekä laatutesteihin. Lisäksi laboratoriossa tehtävä toteutettavuustesti mahdollistaa kaupalliseen tuotantoon tarvittavan laitekoon tarkan valinnan.
Teollisia ultraäänidispergointilaitteita käytetään tuotannossa erissä 0,5 - noin 2000L tai virtausnopeuksilla 0,1L - 20m³ tunnissa. Erilainen kuin muut dispergointi- ja jyrsintätekniikat, ultrasonication voidaan skaalata helposti, koska kaikki tärkeät prosessiparametrit voidaan skaalata lineaarisesti.

Alla olevassa taulukossa esitetään yleiset ultraäänilaitteen suositukset käsiteltävän erän tilavuudesta tai virtausnopeudesta riippuen.

 
Miten ultraäänidispergointilaitteet toimivat? – Akustisen kavitaation toimintaperiaate
Ultraäänikavitaatio on prosessi, joka käyttää korkeataajuisia ääniaaltoja pienten kaasukuplien tuottamiseksi nesteessä. Kun kuplat altistetaan korkealle paineelle, ne voivat romahtaa tai räjähtää vapauttaen energian purskeen. Tätä energiaa voidaan käyttää hiukkasten hajottamiseen nesteeseen hajottamalla ne pienempiin kokoihin.
Ultraäänikavitaatiossa ääniaallot tuotetaan ultraäänianturilla, joka on tyypillisesti asennettu koettimeen tai sarveen. Anturi muuntaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi ääniaaltojen muodossa, jotka sitten lähetetään nesteeseen koettimen tai torven kautta. Kun ääniaallot saavuttavat nesteen, ne luovat korkeapaineaaltoja, jotka voivat aiheuttaa kaasukuplien romahtamisen.
Ultraäänikavitaatiolle dispersioprosesseissa on useita mahdollisia sovelluksia, mukaan lukien emulsioiden tuotanto, pigmenttien ja täyteaineiden dispersio sekä hiukkasten deagglomeraatio. Ultraäänikavitaatio voi olla tehokas tapa hajottaa hiukkasia, koska se voi tuottaa suuria leikkausvoimia ja energian syöttöä sekä muita tärkeitä prosessiparametreja, kuten lämpötilaa ja painetta, voidaan hallita tarkasti, mikä mahdollistaa prosessin räätälöinnin sovelluksen erityistarpeisiin. Tämä tarkka prosessinohjaus on yksi sonikoinnin merkittävimmistä eduista, koska korkealaatuiset tuotteet voivat olla luotettavia ja toistettavasti tuotettuja ja hiukkasten tai nesteen ei-toivottu hajoaminen vältetään.

Kestävä ja helppo puhdistaa

Ultraäänireaktori koostuu reaktoriastiasta ja ultraäänisonotrodista. Tämä on ainoa osa, joka kuluu ja se voidaan helposti vaihtaa muutamassa minuutissa. Värähtely-irrotuslaipat mahdollistavat sonotrodin asentamisen avoimiin tai suljettuihin paineisettaviin astioihin tai virtaussoluihin missä tahansa suunnassa. Laakereita ei tarvita. Virtauskennoreaktorit on yleensä valmistettu ruostumattomasta teräksestä ja niillä on yksinkertaiset geometriat ja ne voidaan helposti purkaa ja pyyhkiä pois. Pieniä aukkoja tai piilotettuja kulmia ei ole.

Ultraäänipuhdistin paikallaan

Sovellusten dispergointiin käytetty ultraääniintensiteetti on paljon suurempi kuin tyypillisessä ultraäänipuhdistuksessa. Siksi ultraäänitehoa voidaan käyttää puhdistuksen avustamiseen huuhtelun ja huuhtelun aikana, koska ultraäänikavitaatio poistaa hiukkaset ja nestemäiset jäännökset sonotrodista ja virtaussoluseinistä.