La cavitation ultrasonique est un moyen efficace de disperser et de microbroyage (broyage humide) des pigments d'encre. Les disperseurs ultrasoniques sont utilisés avec succès dans la recherche ainsi que dans la fabrication industrielle d'encres à jet d'encre à base d'UV, d'eau ou de solvant.

Encres à jet d'encre nanodispersées

Les ultrasons sont très efficaces pour réduire la taille des particules de 500 µm à environ 10 nm.
Lorsque les ultrasons sont utilisés pour disperser les nanoparticules dans l'encre à jet d'encre, la gamme de couleurs, la durabilité et la qualité d'impression de l'encre peuvent être considérablement améliorées. C'est pourquoi les ultrasons de type sonde sont largement utilisés dans la fabrication d'encres à jet d'encre contenant des nanoparticules, d'encres spéciales (par exemple, encres conductrices, encres imprimables en 3D, encres de tatouage) et de peintures.
 

Le graphique ci-dessous montre un exemple de pigments noirs non sonnés et dispersés par ultrasons dans une encre pour jet d'encre. Le traitement par ultrasons a été effectué avec la sonde ultrasonique UIP1000hdT. Le résultat du traitement aux ultrasons est une taille de particule visiblement plus petite et une distribution de taille de particule très étroite.

La dispersion par ultrasons permet d'obtenir des pigments d'encre nettement plus petits et plus uniformes. (graphique vert : avant sonication – graphique rouge : après sonication)

Comment la dispersion ultrasonique améliore-t-elle la qualité des encres à jet d'encre ?

Les ultrasons à haute intensité sont très efficaces pour la dispersion, la réduction de la taille et la distribution uniforme des nanoparticules.
Cela signifie que l'application de nanoparticules par ultrasons dans une encre pour jet d'encre peut en améliorer les performances et la durabilité. Les nanoparticules sont de très petites particules dont la taille est comprise entre 1 et 100 nanomètres. Elles possèdent des propriétés uniques qui peuvent améliorer l'encre pour jet d'encre de plusieurs manières.

• Tout d'abord, les nanoparticules peuvent améliorer la gamme de couleurs des encres à jet d'encre, c'est-à-dire la gamme de couleurs pouvant être produites. Lorsque les nanoparticules sont dispersées uniformément à l'aide d'un appareil à ultrasons de type sonde, l'encre présente des couleurs plus vives et plus saturées. En effet, les nanoparticules peuvent diffuser et réfléchir la lumière d'une manière que les colorants et les pigments traditionnels ne peuvent pas, ce qui permet d'améliorer la reproduction des couleurs.
• Deuxièmement, les nanoparticules dispersées de manière homogène peuvent augmenter la résistance de l'encre jet d'encre à la décoloration, à l'eau et à la salissure. En effet, les nanoparticules peuvent se lier plus fortement au papier ou à un autre substrat, créant ainsi une image plus durable. En outre, les nanoparticules peuvent empêcher l'encre de s'infiltrer dans le papier, ce qui peut provoquer des bavures et réduire la netteté de l'image imprimée.
• Enfin, les nanoparticules dispersées par ultrasons peuvent également améliorer la qualité d'impression et la résolution des encres à jet d'encre. Les disperseurs ultrasoniques sont exceptionnellement efficaces lorsqu'il s'agit de broyer et de mélanger des nanoparticules dans des liquides. En utilisant des particules plus petites, l'encre peut créer des lignes plus fines et plus précises, ce qui donne des images plus nettes et plus claires. Ceci est particulièrement important dans des applications telles que l'impression de photos de haute qualité et l'impression d'œuvres d'art.

Contrôle des paramètres du processus et des résultats de la dispersion

La taille des particules et la distribution granulométrique des pigments d'encre affectent de nombreuses caractéristiques du produit, telles que la résistance à la coloration ou la qualité d'impression. En ce qui concerne l'impression à jet d'encre, une petite quantité de particules plus grosses peut entraîner une instabilité de la dispersion, une sédimentation ou une défaillance de la buse à jet d'encre. Pour cette raison, il est important que la qualité de l'encre jet d'encre ait un bon contrôle sur le processus de réduction de la taille utilisé en production.

Traitement en ligne des nanodispersions pour les encres à jet d'encre

Les réacteurs ultrasoniques Hielscher sont couramment utilisés en ligne. L'encre à jet d'encre est pompée dans la cuve du réacteur. Elle y est exposée à la cavitation ultrasonique à une intensité contrôlée. Le temps d'exposition dépend du volume du réacteur et de la vitesse d'alimentation du matériau. La sonication en ligne élimine les dérivations car toutes les particules passent dans la chambre du réacteur en suivant une trajectoire définie. Comme toutes les particules sont exposées à des paramètres de sonication identiques pendant la même durée au cours de chaque cycle, la sonication rétrécit et déplace généralement la courbe de distribution au lieu de l'élargir. La dispersion par ultrasons produit des distributions granulométriques relativement symétriques. En général, la queue droite – une asymétrie négative de la courbe causée par un déplacement vers les matériaux grossiers ("queue" à droite) – ne peut être observée à des échantillons traités par ultrasons.

Dispersion sous températures contrôlées : Refroidissement des procédés

Pour les véhicules sensibles à la température, Hielscher offre des réacteurs de cellules flux gainés pour tous laboratoire et appareils industriels. En refroidissant les parois internes du réacteur, la chaleur de processus peut être dissipée de manière efficace.

Les images ci-dessous montrent un pigment de noir de carbone dispersé avec la sonde ultrasonique UIP1000hdT dans une encre UV.

La dispersion par ultrasons assure une réduction efficace de la taille des particules et une distribution uniforme des pigments de noir de carbone dans l'encre UV.

Disperser et désagglomérer les encres à jet d'encre à toutes les échelles

Hielscher fabrique des équipements de dispersion par ultrasons pour le traitement des encres de tout volume. Les homogénéisateurs de laboratoire à ultrasons sont utilisés pour des volumes allant de 1,5 ml à environ 2 litres et sont idéaux pour l'étape de recherche et développement des formulations d'encres ainsi que pour les tests de qualité. En outre, les tests de faisabilité en laboratoire permettent de sélectionner avec précision la taille de l'équipement nécessaire à la production commerciale.
Les disperseurs industriels à ultrasons sont utilisés dans la production de lots de 0,5 à environ 2 000 litres ou de débits de 0,1 à 20 m³ par heure. Contrairement à d'autres technologies de dispersion et de broyage, l'ultrasonication peut être facilement mise à l'échelle puisque tous les paramètres importants du processus peuvent être mis à l'échelle de façon linéaire.

Le tableau ci-dessous présente les recommandations générales relatives aux ultrasons en fonction du volume ou du débit du lot à traiter.

 
Comment fonctionnent les disperseurs à ultrasons ? – Le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique
La cavitation ultrasonique est un processus qui utilise des ondes sonores à haute fréquence pour générer de petites bulles de gaz dans un liquide. Lorsque les bulles sont soumises à une pression élevée, elles peuvent s'effondrer, ou imploser, en libérant une bouffée d'énergie. Cette énergie peut être utilisée pour disperser les particules dans le liquide, en les réduisant à des tailles plus petites.
Dans la cavitation ultrasonique, les ondes sonores sont générées par un transducteur ultrasonique, qui est généralement monté sur une sonde ou un cornet. Le transducteur convertit l'énergie électrique en énergie mécanique sous forme d'ondes sonores, qui sont ensuite transmises dans le liquide par la sonde ou le pavillon. Lorsque les ondes sonores atteignent le liquide, elles créent des ondes de haute pression qui peuvent provoquer l'implosion des bulles de gaz.
Il existe plusieurs applications potentielles de la cavitation ultrasonique dans les processus de dispersion, notamment la production d'émulsions, la dispersion de pigments et de charges, et la désagglomération de particules. La cavitation ultrasonique peut être un moyen efficace de disperser les particules car elle peut générer des forces de cisaillement élevées et l'apport d'énergie ainsi que d'autres paramètres importants du processus, tels que la température et la pression, peuvent être contrôlés avec précision, ce qui permet d'adapter le processus aux besoins spécifiques de l'application. Ce contrôle précis du processus est l'un des principaux avantages de la sonication, qui permet de fabriquer des produits de haute qualité de manière fiable et reproductible et d'éviter toute dégradation indésirable des particules ou du liquide.

Robuste et facile à nettoyer

Un réacteur à ultrasons se compose de la cuve du réacteur et de la sonotrode à ultrasons. Cette dernière est la seule pièce sujette à l'usure et peut être facilement remplacée en quelques minutes. Les brides de découplage des oscillations permettent de monter la sonotrode dans des récipients pressurisables ouverts ou fermés ou dans des cellules d'écoulement dans n'importe quelle orientation. Aucun roulement n'est nécessaire. Les réacteurs à cellules d'écoulement sont généralement fabriqués en acier inoxydable, ont des géométries simples et peuvent être facilement démontés et nettoyés. Il n'y a pas de petits orifices ou de coins cachés.

Nettoyeur à ultrasons en place

L'intensité ultrasonique utilisée pour les applications de dispersion est beaucoup plus élevée que pour un nettoyage ultrasonique classique. Par conséquent, la puissance ultrasonique peut être utilisée pour faciliter le nettoyage pendant le rinçage, car la cavitation ultrasonique élimine les particules et les résidus liquides de la sonotrode et des parois de la cellule d'écoulement.