הקטנת גודל חלקיקי דיו באמצעות אולטרסאונד (למשל להזרקת דיו)

קוויטציה אולטרסונית היא אמצעי יעיל לפיזור ולטחינה מיקרונית (טחינה רטובה) של פיגמנטים בדיו. מכשירי פיזור אולטרסוניים משמשים בהצלחה במחקר וכן בייצור תעשייתי של דיו להזרקת דיו מסוג UV או על בסיס מים או ממסים.

דיו להזרקת דיו עם פיזור ננומטרי

אולטרסאונד יעיל מאוד בהקטנת גודל חלקיקים בטווח שבין 500µm ועד לכ־10nm.
כאשר משתמשים בסוניקציה לפיזור ננו־חלקיקים בדיו להזרקת דיו, ניתן לשפר במידה ניכרת את מכלול הצבעים של הדיו, את עמידותו ואת איכות ההדפסה. לכן, מכשירים אולטרסוניים מסוג גשוש משמשים באופן נרחב בייצור דיו להזרקת דיו המכיל ננו־חלקיקים, דיו לשימושים מיוחדים (למשל דיו מוליך, דיו הניתן להדפסה ב־3D ודיו לקעקועים) וצבעים.
 

הגרפים שלהלן מציגים דוגמה לפיגמנטים שחורים בדיו להזרקת דיו שלא עברו סוניקציה לעומת פיגמנטים שפוזרו באמצעות אולטרסאונד. הטיפול האולטרסוני בוצע באמצעות הגשוש האולטרסוני UIP1000hdT. תוצאת הטיפול האולטרסוני היא גודל חלקיקים קטן יותר באופן ניכר לעין והתפלגות צרה מאוד של גודל החלקיקים.

פיזור אולטרסוני מניב פיגמנטים של דיו קטנים ואחידים יותר במידה ניכרת. (גרף ירוק: לפני סוניקציה – גרף אדום: לאחר סוניקציה)

כיצד פיזור אולטרסוני משפר את איכות הדיו להזרקת דיו?

מכשירים אולטרסוניים בעוצמה גבוהה יעילים מאוד בפיזור, בהקטנת גודל ובפיזור אחיד של ננו־חלקיקים.
משמעות הדבר היא שפיזור ננו־חלקיקים באמצעות אולטרסאונד בדיו להזרקת דיו יכול לשפר את ביצועיו ואת עמידותו. ננו־חלקיקים הם חלקיקים קטנים מאוד שגודלם בטווח שבין 1 ל־100 ננומטר, ויש להם תכונות ייחודיות שיכולות לשפר דיו להזרקת דיו בכמה דרכים.

• ראשית, ננו־חלקיקים יכולים לשפר את מכלול הצבעים של דיו להזרקת דיו, כלומר את טווח הצבעים שניתן להפיק. כאשר ננו־חלקיקים מפוזרים באופן אחיד באמצעות מכשיר אולטרסוני מסוג גשוש, הדיו מציג כתוצאה מכך צבעים חיים ורוויים יותר. זאת משום שננו־חלקיקים יכולים לפזר ולהחזיר אור בדרכים שצבעים מסיסים ופיגמנטים מסורתיים אינם יכולים, וכך להביא לשחזור צבע משופר.
• שנית, ננו־חלקיקים המפוזרים באופן הומוגני יכולים להגביר את עמידות הדיו להזרקת דיו בפני דהייה, מים ומריחות. זאת משום שננו־חלקיקים יכולים להיקשר בחוזקה רבה יותר לנייר או למצע אחר, וכך ליצור תמונה עמידה יותר הנשמרת לאורך זמן רב יותר. בנוסף, ננו־חלקיקים יכולים למנוע את התפשטות הדיו בתוך הנייר, שעלולה לגרום למריחות ולהפחית את חדות התמונה המודפסת.
• לבסוף, ננו־חלקיקים המפוזרים באמצעות אולטרסאונד יכולים גם לשפר את איכות ההדפסה ואת הרזולוציה של דיו להזרקת דיו. מכשירי פיזור אולטרסוניים יעילים במיוחד בטחינה ובערבוב של ננו־חלקיקים בנוזלים. באמצעות שימוש בחלקיקים קטנים יותר, הדיו יכול ליצור קווים דקים ומדויקים יותר, וכך להפיק תמונות חדות וברורות יותר. הדבר חשוב במיוחד ביישומים כגון הדפסת תצלומים באיכות גבוהה והדפסת אמנות.

שליטה בפרמטרי התהליך ובתוצאות הפיזור

גודל החלקיקים והתפלגות גודל החלקיקים של פיגמנטים בדיו משפיעים על מאפייני מוצר רבים, כגון עוצמת הגיוון או איכות ההדפסה. בהדפסה בהזרקת דיו, כמות קטנה של חלקיקים גדולים יותר עלולה להוביל לחוסר יציבות של הדיספרסיה, לשקיעה או לכשל בחריר הזרקת הדיו. מסיבה זו, שליטה טובה בתהליך הקטנת גודל החלקיקים המשמש בייצור חשובה לאיכות הדיו להזרקת דיו.

עיבוד דיספרסיות ננומטריות בקו הייצור עבור דיו להזרקת דיו

הכורים האולטרסוניים של Hielscher משמשים בדרך כלל לעיבוד בתוך קו הייצור. הדיו להזרקת דיו נשאב אל מכל הכור. שם הוא נחשף לקוויטציה אולטרסונית בעוצמה מבוקרת. זמן החשיפה נקבע לפי נפח הכור וקצב הזנת החומר. סוניקציה בתוך קו הייצור מונעת מעבר במסלולי מעקף, משום שכל החלקיקים עוברים בתא הכור במסלול מוגדר. מכיוון שכל החלקיקים נחשפים לפרמטרים זהים של סוניקציה למשך אותו פרק זמן בכל מחזור, הסוניקציה בדרך כלל מצרה ומסיטה את עקומת ההתפלגות במקום להרחיב אותה. פיזור אולטרסוני יוצר התפלגויות סימטריות יחסית של גודל החלקיקים. ככלל, בדגימות שעברו סוניקציה לא ניתן להבחין בזנב ימני – הטיה שלילית של העקומה הנגרמת מהסטה לכיוון החומרים הגסים יותר (״זנב״ בצד ימין).

פיזור בטמפרטורות מבוקרות: קירור התהליך

עבור נשאים רגישים לטמפרטורה, Hielscher מציעה כורי תא זרימה בעלי מעטפת קירור לכל המכשירים המעבדתיים והתעשייתיים. באמצעות קירור הדפנות הפנימיות של הכור ניתן לסלק ביעילות את החום הנוצר בתהליך.

התמונות שלהלן מציגות פיגמנט פיח שפוזר בדיו UV באמצעות הגשוש האולטרסוני UIP1000hdT.

פיזור אולטרסוני מבטיח הקטנה יעילה של גודל החלקיקים ופיזור אחיד של פיגמנטי פיח בדיו UV.

פיזור ופירוק אגלומרטים בדיו להזרקת דיו בכל קנה מידה

Hielscher מייצרת ציוד לפיזור אולטרסוני לעיבוד דיו בכל נפח. הומוגנייזרים אולטרסוניים מעבדתיים משמשים לנפחים שבין 1.5mL לכ־2L, והם אידאליים לשלב המחקר והפיתוח של פורמולציות דיו וכן לבדיקות איכות. נוסף על כך, בדיקות היתכנות במעבדה מאפשרות לבחור במדויק את גודל הציוד הדרוש לייצור מסחרי.
מפזרים אולטרסוניים תעשייתיים משמשים בייצור לאצוות מ־0.5 עד כ־2000L או לספיקות זרימה מ־0.1L עד 20m³ לשעה. בשונה מטכנולוגיות פיזור וטחינה אחרות, ניתן להגדיל בקלות את קנה המידה של הסוניקציה, מכיוון שניתן להגדיל באופן ליניארי את כל פרמטרי התהליך החשובים.

הטבלה שלהלן מציגה המלצות כלליות למכשירי סוניקציה בהתאם לנפח האצווה או לספיקת הזרימה המיועדים לעיבוד.

 
כיצד פועלים מפזרים אולטרסוניים? – עקרון הפעולה של קוויטציה אקוסטית
קוויטציה אולטרסונית היא תהליך המשתמש בגלי קול בתדר גבוה ליצירת בועות גז קטנות בנוזל. כאשר הבועות נתונות ללחץ גבוה, הן יכולות לקרוס, או להתפוצץ כלפי פנים, תוך שחרור פרץ אנרגיה. ניתן להשתמש באנרגיה זו לפיזור חלקיקים בנוזל ולהקטנת גודלם.
בקוויטציה אולטרסונית, גלי הקול נוצרים באמצעות מתמר אולטרסוני, המותקן בדרך כלל על גשוש או קרן. המתמר ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית בצורת גלי קול, המועברים לאחר מכן אל הנוזל דרך הגשוש או הקרן. כאשר גלי הקול מגיעים לנוזל, הם יוצרים גלי לחץ גבוה שיכולים לגרום לבועות הגז להתפוצץ כלפי פנים.
לקוויטציה אולטרסונית יש כמה יישומים אפשריים בתהליכי פיזור, ובהם ייצור תחליבים, פיזור פיגמנטים וחומרי מילוי ופירוק אגלומרטים של חלקיקים. קוויטציה אולטרסונית יכולה להיות דרך יעילה לפיזור חלקיקים, משום שהיא יכולה ליצור כוחות גזירה גבוהים ולהקנות אנרגיה, ובנוסף ניתן לשלוט במדויק בפרמטרי תהליך חשובים אחרים, כגון טמפרטורה ולחץ, וכך להתאים את התהליך לצרכים הספציפיים של היישום. שליטה מדויקת זו בתהליך היא אחד היתרונות הבולטים של סוניקציה, שכן ניתן לייצר מוצרים באיכות גבוהה באופן אמין והדיר, תוך מניעת כל פירוק בלתי רצוי של החלקיקים או הנוזל.

עמידים וקלים לניקוי

כור אולטרסוני מורכב ממכל הכור ומהסונוטרודה האולטרסונית. הסונוטרודה היא החלק היחיד הנתון לבלאי, וניתן להחליפה בקלות בתוך דקות. אוגנים המבודדים תנודות מאפשרים להתקין את הסונוטרודה בכל כיוון במכלים פתוחים או סגורים הניתנים להפעלת לחץ, או בתאי זרימה. אין צורך במסבים. כורי תאי זרימה עשויים בדרך כלל מפלדת אל-חלד, בעלי גאומטריה פשוטה וניתנים לפירוק ולניגוב בקלות. אין בהם פתחים קטנים או פינות נסתרות.

ניקוי אולטרסוני במקום

העוצמה האולטרסונית המשמשת ליישומי פיזור גבוהה בהרבה מזו המשמשת לניקוי אולטרסוני טיפוסי. לכן ניתן להשתמש בהספק האולטרסוני כדי לסייע בניקוי במהלך הזרמת נוזל ניקוי ושטיפה, שכן הקוויטציה האולטרסונית מסירה חלקיקים ושאריות נוזל מהסונוטרודה ומדפנות תא הזרימה.