Musteen hiukkaskoon pienentäminen ultraäänellä (esim. mustesuihkutulostusta varten)

Ultraäänikavitaatio on tehokas keino mustepigmenttien dispergointiin ja mikrojauhatukseen (märkäjauhatukseen). Ultraäänidispergointilaitteita käytetään menestyksekkäästi sekä tutkimuksessa että UV-, vesi- tai liuotinpohjaisten mustesuihkumusteiden teollisessa valmistuksessa.

Nanodispergoidut mustesuihkumusteet

Ultraääni pienentää erittäin tehokkaasti hiukkasten kokoa 500µm:stä noin 10nm:iin asti.
Kun ultraäänikäsittelyä käytetään nanohiukkasten dispergointiin mustesuihkumusteeseen, musteen väriavaruutta, kestävyyttä ja tulostuslaatua voidaan parantaa huomattavasti. Siksi anturityyppisiä ultraäänilaitteita käytetään laajalti nanohiukkasia sisältävien mustesuihkumusteiden, erikoismusteiden (esim. sähköä johtavien musteiden, 3D-tulostettavien musteiden ja tatuointimusteiden) sekä maalien valmistuksessa.
 

Alla olevat kuvaajat esittävät esimerkin ultraäänikäsittelemättömistä ja ultraäänellä dispergoiduista mustista pigmenteistä mustesuihkumusteessa. Ultraäänikäsittely tehtiin ultraäänisondilla UIP1000hdT. Ultraäänikäsittelyn tuloksena hiukkaskoko on selvästi pienempi ja hiukkaskokojakauma erittäin kapea.

Ultraäänidispergointi tuottaa huomattavasti pienempiä ja tasakokoisempia mustepigmenttejä. (vihreä kuvaaja: ennen ultraäänikäsittelyä – punainen kuvaaja: ultraäänikäsittelyn jälkeen)

Miten ultraäänidispergointi parantaa mustesuihkumusteen laatua?

Suuren intensiteetin ultraäänilaitteet ovat erittäin tehokkaita nanohiukkasten dispergoinnissa, hiukkaskoon pienentämisessä ja tasaisessa jakautumisessa.
Tämä tarkoittaa, että nanohiukkasten dispergointi ultraäänellä mustesuihkumusteeseen 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 useilla tavoilla.

• Ensinnäkin nanohiukkaset voivat parantaa mustesuihkumusteen väriavaruutta, jolla tarkoitetaan tuotettavissa olevien värien valikoimaa. Kun nanohiukkaset dispergoidaan tasaisesti anturityyppisellä ultraäänilaitteella, musteen värit ovat tämän seurauksena elävämpiä ja kylläisempiä. Tämä johtuu siitä, että nanohiukkaset voivat sirottaa ja heijastaa valoa tavoilla, joihin perinteiset väriaineet ja pigmentit eivät pysty, mikä parantaa värintoistoa.
• Toiseksi homogeenisesti dispergoidut nanohiukkaset voivat parantaa mustesuihkumusteen haalistumisen, veden ja tahriintumisen kestävyyttä. Tämä johtuu siitä, että nanohiukkaset voivat sitoutua vahvemmin paperiin tai muuhun alustaan, jolloin kuva on kestävämpi ja säilyy pidempään. Lisäksi nanohiukkaset voivat estää musteen leviämistä paperiin, mikä voi aiheuttaa tahriintumista ja heikentää tulostetun kuvan terävyyttä.
• Lopuksi ultraäänellä dispergoidut nanohiukkaset voivat myös parantaa mustesuihkumusteen tulostuslaatua ja resoluutiota. Ultraäänidispergointilaitteet ovat poikkeuksellisen tehokkaita nanohiukkasten jauhatuksessa ja sekoittamisessa nesteisiin. Pienempiä hiukkasia käyttämällä musteella voidaan tuottaa hienompia ja tarkempia viivoja, jolloin kuvista tulee terävämpiä ja selkeämpiä. Tämä on erityisen tärkeää esimerkiksi korkealaatuisten valokuvien ja taidevedosten tulostuksessa.

Prosessiparametrien ja dispergointitulosten hallinta

Mustepigmenttien hiukkaskoko ja hiukkaskokojakauma vaikuttavat moniin tuoteominaisuuksiin, kuten värjäysvoimaan tai tulostuslaatuun. Mustesuihkutulostuksessa pieni määrä suurempia hiukkasia voi johtaa dispersion epävakauteen, sedimentoitumiseen tai mustesuihkusuuttimen toimintahäiriöön. Siksi mustesuihkumusteen laadun kannalta on tärkeää hallita hyvin tuotannossa käytettävää hiukkaskoon pienentämisprosessia.

Mustesuihkumusteiden nanodispersioiden käsittely jatkuvassa virtauksessa

Hielscher ultraäänireaktoreita käytetään yleisesti jatkuvassa virtauksessa. Mustesuihkumuste pumpataan reaktoriastiaan. Siellä se altistetaan ultraäänikavitaatiolle hallitulla intensiteetillä. Altistusaika määräytyy reaktorin tilavuuden ja materiaalin syöttönopeuden perusteella. Jatkuvassa virtauksessa tehtävä ultraäänikäsittely poistaa ohivirtauksen, koska kaikki hiukkaset kulkevat reaktorikammion läpi määriteltyä reittiä pitkin. Koska kaikki hiukkaset altistuvat samoille ultraäänikäsittelyn parametreille yhtä pitkän ajan jokaisen kierron aikana, ultraäänikäsittely tyypillisesti kaventaa ja siirtää jakaumakäyrää sen leventämisen sijaan. Ultraäänidispergointi tuottaa suhteellisen symmetrisiä hiukkaskokojakaumia. Yleensä ultraäänikäsitellyissä näytteissä ei voida havaita oikealle ulottuvaa häntää – käyrän negatiivista vinoutta, joka johtuu siirtymästä kohti karkeampaa materiaalia (”häntä” oikealla).

Dispergointi hallitussa lämpötilassa: prosessin jäähdytys

Lämpötilaherkkiä kantoaineita varten Hielscher tarjoaa vaipallisia virtauskennoreaktoreita kaikkiin laboratorio- ja teollisuuslaitteisiin. Jäähdyttämällä reaktorin sisäseiniä prosessilämpö voidaan poistaa tehokkaasti.

Alla olevissa kuvissa näkyy nokipigmenttiä, joka on dispergoitu UV-musteeseen ultraäänisondilla UIP1000hdT.

Ultraäänidispergointi varmistaa nokipigmenttien hiukkaskoon tehokkaan pienentämisen ja tasaisen jakautumisen UV-musteessa.

Mustesuihkumusteiden dispergointi ja deagglomerointi kaikissa mittakaavoissa

Hielscher valmistaa ultraäänidispergointilaitteita musteiden käsittelyyn kaikissa tilavuuksissa. Laboratorion ultraäänihomogenisaattoreita käytetään tilavuuksille 1,5mL:stä noin 2L:aan, ja ne soveltuvat ihanteellisesti mustekoostumusten tutkimus- ja kehitysvaiheeseen sekä laadun testaukseen. Lisäksi laboratorion toteutettavuustestit mahdollistavat kaupalliseen tuotantoon tarvittavan laitekoon tarkan valinnan.
Teollisia ultraäänidispergointilaitteita käytetään tuotannossa erille, joiden tilavuus vaihtelee 0,5:stä noin 2000L:aan, tai tilavuusvirroille 0,1L:stä 20m³:iin tunnissa. Muista dispergointi- ja jauhatusteknologioista poiketen ultraäänikäsittelyn mittakaavaa voidaan kasvattaa helposti, sillä kaikki tärkeät prosessiparametrit voidaan skaalata lineaarisesti.

Alla olevassa taulukossa esitetään yleisiä ultraäänilaitesuosituksia käsiteltävän erätilavuuden tai tilavuusvirran mukaan.

 
Miten ultraäänidispergointilaitteet toimivat? – Akustisen kavitaation toimintaperiaate
Ultraäänikavitaatio on prosessi, jossa suurtaajuisilla ääniaalloilla muodostetaan pieniä kaasukuplia nesteeseen. Kun kuplat altistuvat korkealle paineelle, ne voivat romahtaa eli luhistua sisäänpäin ja vapauttaa energiapurkauksen. Tätä energiaa voidaan käyttää hiukkasten dispergointiin nesteessä hajottamalla ne pienemmiksi.
Ultraäänikavitaatiossa ääniaallot tuotetaan ultraäänimuuntimella, joka on tyypillisesti asennettu anturiin tai torveen. Muunnin muuttaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi ääniaaltojen muodossa, ja ääniaallot välittyvät sitten nesteeseen anturin tai torven kautta. Kun ääniaallot saavuttavat nesteen, ne luovat korkeapaineisia aaltoja, jotka voivat saada kaasukuplat luhistumaan sisäänpäin.
Ultraäänikavitaatiolla on useita mahdollisia käyttökohteita dispergointiprosesseissa, kuten emulsioiden valmistus, pigmenttien ja täyteaineiden dispergointi sekä hiukkasten deagglomerointi. Ultraäänikavitaatio voi olla tehokas tapa dispergoida hiukkasia, koska sillä voidaan tuottaa suuria leikkausvoimia ja suuri energiansyöttö. Myös muita tärkeitä prosessiparametreja, kuten lämpötilaa ja painetta, voidaan hallita tarkasti, mikä mahdollistaa prosessin sovittamisen käyttökohteen erityistarpeisiin. Tämä tarkka prosessinhallinta on yksi ultraäänikäsittelyn merkittävistä eduista, sillä korkealaatuisia tuotteita voidaan valmistaa luotettavasti ja toistettavasti ja hiukkasten tai nesteen kaikenlainen ei-toivottu hajoaminen vältetään.

Vankkarakenteinen ja helppo puhdistaa

Ultraäänireaktori koostuu reaktoriastiasta ja ultraäänisonotrodista. Sonotrodi on ainoa kuluva osa, ja se voidaan vaihtaa helposti muutamassa minuutissa. Värähtelyn irtikytkevät laipat mahdollistavat sonotrodin asentamisen avoimiin tai suljettuihin paineistettaviin astioihin tai virtauskennoihin missä tahansa asennossa. Laakereita ei tarvita. Virtauskennoreaktorit valmistetaan yleensä ruostumattomasta teräksestä, niiden geometria on yksinkertainen, ja ne voidaan helposti purkaa ja pyyhkiä puhtaiksi. Niissä ei ole pieniä aukkoja eikä piilossa olevia nurkkia.

Ultraäänellä tehtävä paikallaanpuhdistus

Dispergointisovelluksissa käytettävä ultraääni-intensiteetti on paljon suurempi kuin tavanomaisessa ultraäänipuhdistuksessa. Siksi ultraäänitehoa voidaan käyttää puhdistuksen tehostamiseen huuhtelujen aikana, sillä ultraäänikavitaatio poistaa hiukkasia ja nestejäämiä sonotrodista ja virtauskennon seinämistä.