Réduction de la taille des particules d’encre par ultrasons (p. ex. pour l’impression à jet d’encre)

La cavitation ultrasonore est un moyen efficace de disperser et de microbroyer (broyage humide) les pigments d’encre. Les disperseurs à ultrasons sont utilisés avec succès en recherche ainsi que dans la fabrication industrielle d’encres pour jet d’encre UV, à base d’eau ou de solvants.

Encres pour jet d’encre à dispersion nanométrique

Les ultrasons sont très efficaces pour réduire la taille des particules dans la plage allant de 500µm à environ 10nm.
Lorsque la sonication est utilisée pour disperser des nanoparticules dans une encre pour jet d’encre, la gamme de couleurs, la durabilité et la qualité d’impression peuvent être considérablement améliorées. Les appareils à ultrasons à sonde sont donc largement utilisés pour fabriquer des encres pour jet d’encre contenant des nanoparticules, des encres spéciales (p. ex. encres conductrices, encres pour l’impression 3D, encres de tatouage) et des peintures.
 

Les graphiques ci-dessous présentent un exemple de pigments noirs dans une encre pour jet d’encre, non soumis à la sonication et dispersés par ultrasons. Le traitement ultrasonore a été réalisé avec la sonde ultrasonore UIP1000hdT. Il permet d’obtenir une taille de particules visiblement plus petite et une distribution granulométrique très étroite.

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

Comment la dispersion par ultrasons améliore-t-elle la qualité des encres pour jet d’encre ?

Les appareils à ultrasons de haute intensité sont très efficaces pour disperser les nanoparticules, réduire leur taille et les répartir uniformément.
Cela signifie que la dispersion de nanoparticules par ultrasons dans une encre pour jet d’encre peut améliorer ses performances et sa durabilité. Les nanoparticules sont de très petites particules dont la taille se situe entre 1 et 100 nanomètres. Elles possèdent des propriétés uniques qui peuvent améliorer l’encre pour jet d’encre de plusieurs façons.

• Premièrement, les nanoparticules peuvent améliorer la gamme de couleurs de l’encre pour jet d’encre, c’est-à-dire l’ensemble des couleurs pouvant être produites. Lorsque les nanoparticules sont dispersées uniformément à l’aide d’un appareil à ultrasons à sonde, l’encre présente ainsi des couleurs plus vives et plus saturées. En effet, les nanoparticules peuvent diffuser et réfléchir la lumière d’une manière que les colorants et pigments traditionnels ne permettent pas, ce qui améliore la reproduction des couleurs.
• Deuxièmement, les nanoparticules dispersées de manière homogène peuvent accroître la résistance de l’encre pour jet d’encre à la décoloration, à l’eau et aux bavures. En effet, les nanoparticules peuvent se lier plus fortement au papier ou à un autre support, créant ainsi une image plus durable et qui se conserve plus longtemps. De plus, les nanoparticules peuvent empêcher l’encre de se diffuser 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 pour jet d’encre. Les disperseurs à ultrasons sont particulièrement efficaces pour broyer et mélanger les nanoparticules dans les liquides. Grâce à des particules plus petites, l’encre peut former des lignes plus fines et plus précises, produisant des images plus nettes et plus claires. Cela est particulièrement important pour des applications telles que l’impression photographique de haute qualité et l’impression de reproductions d’œuvres d’art.

Maîtrise des paramètres du procédé et des résultats de dispersion

La taille des particules et la distribution granulométrique des pigments d’encre influencent de nombreuses caractéristiques du produit, comme le pouvoir colorant ou la qualité d’impression. En impression à jet d’encre, une faible quantité de particules plus grosses peut entraîner une instabilité de la dispersion, une sédimentation ou une défaillance des buses. Il est donc important, pour la qualité de l’encre pour jet d’encre, de bien maîtriser le procédé de réduction de la taille des particules utilisé en production.

Traitement en ligne des nanodispersions pour les encres pour jet d’encre

Les réacteurs à ultrasons Hielscher sont couramment utilisés en ligne. L’encre pour jet d’encre est pompée dans la cuve du réacteur. Elle y est exposée à la cavitation ultrasonore à une intensité contrôlée. Le temps d’exposition dépend du volume du réacteur et du débit d’alimentation en matière. La sonication en ligne élimine les passages en dérivation, car toutes les particules traversent la chambre du réacteur selon un parcours défini. Comme toutes les particules sont exposées aux mêmes paramètres de sonication pendant la même durée à chaque cycle, la sonication resserre et décale généralement la courbe de distribution plutôt que de l’élargir. La dispersion par ultrasons produit des distributions granulométriques relativement symétriques. En général, une traînée à droite – une asymétrie négative de la courbe causée par un décalage vers les particules grossières (« queue » à droite) – ne peut pas être observée dans les échantillons soumis à la sonication.

Dispersion à température contrôlée : refroidissement du procédé

Pour les véhicules sensibles à la température, Hielscher propose des réacteurs à cellule à circulation à double enveloppe pour tous ses appareils de laboratoire et industriels. Le refroidissement des parois internes du réacteur permet de dissiper efficacement la chaleur du procédé.

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

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

Dispersion et désagglomération des encres pour jet d’encre à toutes les échelles

Hielscher fabrique des équipements de dispersion par ultrasons pour le traitement des encres, quel que soit leur volume. Les homogénéisateurs à ultrasons de laboratoire sont utilisés pour des volumes allant de 1,5mL à environ 2L et sont idéaux pour la phase de R+D des formulations d’encre ainsi que pour les essais de qualité. En outre, les essais de faisabilité en laboratoire permettent de sélectionner avec précision la taille d’équipement nécessaire à la production commerciale.
Les disperseurs à ultrasons industriels sont utilisés en production pour des lots allant de 0,5 à environ 2000L ou des débits allant de 0,1L à 20m³ par heure. Contrairement aux autres technologies de dispersion et de broyage, la sonication peut facilement être transposée à plus grande échelle, car tous les paramètres importants du procédé peuvent être mis à l’échelle de manière linéaire.

Le tableau ci-dessous présente des recommandations générales d’appareils à ultrasons en fonction du volume de lot ou du débit à traiter.

 
Comment fonctionnent les disperseurs à ultrasons ? – Le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique
La cavitation ultrasonore est un procédé 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 brusque quantité d’énergie. Cette énergie peut servir à disperser les particules dans le liquide en les fragmentant en particules plus petites.
Dans la cavitation ultrasonore, les ondes sonores sont générées par un transducteur ultrasonore, généralement monté sur une sonde ou une sonotrode. Le transducteur convertit l’énergie électrique en énergie mécanique sous forme d’ondes sonores, qui sont ensuite transmises au liquide par la sonde ou la sonotrode. Lorsque les ondes sonores atteignent le liquide, elles créent des ondes de haute pression qui peuvent provoquer l’implosion des bulles de gaz.
La cavitation ultrasonore présente plusieurs applications potentielles dans les procédés de dispersion, notamment la production d’émulsions, la dispersion de pigments et de charges, ainsi que la désagglomération des particules. Elle peut constituer un moyen efficace de disperser les particules, car elle peut générer des forces de cisaillement élevées et un apport d’énergie important. D’autres paramètres importants du procédé, tels que la température et la pression, peuvent également être contrôlés avec précision, ce qui permet d’adapter le procédé aux besoins spécifiques de l’application. Cette maîtrise précise du procédé constitue l’un des principaux avantages de la sonication, car des produits de haute qualité peuvent être fabriqués de manière fiable et reproductible, tout en évitant 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 ultrasonore. Cette dernière est la seule pièce soumise 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 ouverts ou fermés pouvant être pressurisés, ou dans des cellules à circulation, dans n’importe quelle orientation. Aucun palier n’est nécessaire. Les réacteurs à cellule à circulation sont généralement fabriqués en acier inoxydable, présentent des géométries simples et peuvent être facilement démontés et nettoyés par essuyage. Ils ne comportent ni petits orifices ni recoins cachés.

Nettoyage en place par ultrasons

L’intensité ultrasonore utilisée pour les applications de dispersion est beaucoup plus élevée que celle employée pour le nettoyage ultrasonore courant. La puissance ultrasonore peut donc faciliter le nettoyage pendant les opérations de purge et de rinçage, car la cavitation ultrasonore élimine les particules et les résidus liquides de la sonotrode et des parois de la cellule à circulation.