אולטרסאונד לפיזור ולטחינה: צבע ופיגמנטים

אולטרסאונד רב־עוצמה מוכר היטב בזכות השפעות הטחינה והפיזור העזות שלו, הניתנות לבקרה מדויקת. תכונות אלו הופכות הומוגנייזרים אולטרסוניים לאידיאליים לייצור משחות פיגמנטים ופורמולציות צבע. מכשירי אולטרסאונד תעשייתיים מספקים התפלגות אחידה מאוד של גודל החלקיקים בתחום המיקרוני והננומטרי. עבדו זרמים בנפחים גדולים ובצמיגות גבוהה באמצעות מכשירי הסוניקציה של Hielscher כדי להשיג הרטבה, פיזור, פירוק אגלומרטים וטחינה אחידים!

ייצור צבע באמצעות אולטרסאונד

שפרו את הצבעים, הגוונים והציפויים שלכם באמצעות סוניקציה:

• פורמולציה: בין שמדובר בצמיגות גבוהה, בתכולת חלקיקים גבוהה, בבסיס מימי או בבסיס ממס – באמצעות מכשירי האולטרסאונד התעשייתיים של Hielscher המותקנים בקו התהליך ניתן לעבד כל פורמולציה.
• גודל מיקרוני וננומטרי: כוחות הגזירה הגבוהים הנוצרים בקוויטציה אקוסטית מקטינים את החלקיקים לקטרים זעירים ומספקים פיזור אחיד. התאמת פרמטרי הטיפול האולטרסוני לדרישות החלקיקים והפורמולציה שלכם מאפשרת ייצור אמין של פיגמנטים בגודל ננומטרי.
• תכונות אופטיות: כדי להשיג את התכונות האופטיות המתאימות, יש לשלוט בגודל חלקיקי הפיגמנט. בדרך כלל, האטימות מתואמת עם גודל החלקיקים: ככל שהחלקיקים קטנים יותר, כך האטימות גבוהה יותר. לדוגמה, TiO2 מעובד במיוחד לגודל חלקיקים של 0.20 עד 0.3 מיקרון, השווה בקירוב למחצית אורך הגל של האור. טיפול אולטרסוני מקטין את פיגמנטי ה־TiO2 לגודלם המיטבי, כך שמתקבל כושר הכיסוי המרבי.
• חלקיקים בעלי ביצועים גבוהים: חלקיקים קטנים יותר מביאים לרוויית צבע גבוהה יותר, לאחידות צבע רבה יותר וליציבות גבוהה יותר. כוחות האולטרסאונד העזים, הניתנים עם זאת לבקרה מדויקת, מאפשרים לייצר ננו־חלקיקים שעברו שינוי ופונקציונליזציה, כגון חלקיקים מצופים, SWNTs, MWCNTs וחלקיקי ליבה–מעטפת. חלקיקים אלה מציגים מאפיינים ייחודיים ומעלים פורמולציות צבע או ציפוי לרמה חדשה של איכות ותפקודיות (למשל עמידות לקרינת UV, עמידות לשריטות, חוזק, כושר היצמדות, עמידות גבוהה לחום והחזרת קרינה תת־אדומה וקרינת שמש).
• חלקיקים שעברו שינוי: פיגמנטים שפני השטח שלהם עברו שינוי מציגים צמיגות נמוכה מאוד בתכולת פיגמנט גבוהה (2.5cP בתכולת מוצקים של 10%), יציבות תרחיף מעולה וטוהר גבוה. פונקציונליזציה של חלקיקים בסיוע אולטרסאונד מקלה על סינתזה של פיגמנטים בעלי ביצועים גבוהים ומאפיינים מיוחדים.

משחות פיגמנטים הנטחנות ומפוזרות באמצעות קוויטציה אולטרסונית וכוחות גזירה גבוהים מציגות הקטנה משמעותית בגודל ופיזור אחיד. הגרף לעיל מראה שהקטנת הגודל גוברת ככל שהאנרגיה האולטרסונית עולה.

לייצור צבע יש לערבב רכיבים כגון פיגמנטים, חומרי קישור/חומרים יוצרי שכבה, מדללים/ממסים, שרפים, חומרי מילוי ותוספים לפורמולציה הומוגנית. פיגמנטים הם הרכיב הקובע את צבעו של הצבע. הפיגמנט הלבן החשוב ביותר הוא TiO2, שיש לטחון לגודל חלקיקים מיטבי בקוטר שבין 0.2 ל־0.3 מיקרון כדי לקבל את רמת הלובן, הבהירות והאטימות הרצויה ומקדם שבירה גבוה מאוד. כוחות הגזירה האולטרסוניים מספקים פירוק אגלומרטים ופיזור של חלקיקי TiO2 ביעילות גבוהה מאוד וביעילות אנרגטית גבוהה (ראו תמונה להלן).

תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM) של תרחיף ננו־חלקיקי TiO2 שפוזרו באולטרסאונד, בריכוזי מוצקים שונים. הסוניקציה בוצעה באמצעות מכשיר האולטרסאונד UIP1000hdT
משמאל: השקעת אנרגיה אולטרסונית של 1.8 × 10⁵ J/L – מימין: השקעת אנרגיה אולטרסונית של 5.4 × 10⁵ J/L
(מחקר ותמונות: ©Fasaki et al., 2012)

 
טחינה ופיזור אולטרסוניים משפרים את איכות הצבע באמצעות שיפור עוצמת הצביעה, הצפיפות, דקות הטחינה, הפיזור והריאולוגיה שלו.

תנאי פיזור וטחינה אולטרסוניים

איכותם של צבעים וציפויים תלויה בפיזור הומוגני של הפיגמנטים. Hielscher Ultrasonics מספקת ציוד יעיל לטחינה ולריסוק לצורך פיזור צבע, במיוחד לפורמולציות בעלות תכולת פיגמנט גבוהה. מנגנון הפעולה של מפזרים אולטרסוניים ביישומי טחינה, ריסוק, פירוק אגלומרטים ופיזור מבוסס בעיקר על עקרון הגזירה הנוצרת בקוויטציה אולטרסונית. כוחות הגזירה הנובעים מקוויטציה והנחוצים להפרדת החלקיקים נוצרים עקב הפרשי לחץ גבוהים, מוקדים חמים מקומיים וסילוני נוזל, המביאים לשבירת החלקיקים באמצעות התנגשויות ביניהם.
מפזרים אולטרסוניים תעשייתיים כגון UIP16000hdT, בהספק של 16,000 ואט לכל גשוש אולטרסוני, מסוגלים לעבד זרמים בנפחים גדולים של צבעים וציפויים.

צבע גיר שעבר סוניקציה, המוצג על מד דקות הטחינה, מדגים פירוק אגלומרטים והתפלגות גודל חלקיקים אחידים לחלוטין של הפיגמנטים

פיזור ננו־חלקיקים

טחינה ופיזור אולטרסוניים הם לעיתים קרובות השיטה היחידה לעיבוד יעיל של ננו־חלקיקים כדי לקבל חלקיקים ראשוניים המפוזרים בנפרד זה מזה. גודל קטן של חלקיקים ראשוניים מביא לשטח פנים גדול ומתואם עם ביטוי של מאפיינים ותפקודים ייחודיים של החלקיקים. במקביל, גודל חלקיקים קטן יותר קשור לאנרגיית פני שטח גבוהה, המגבירה אגרגציה ותגובתיות, ולכן נדרשים כוחות הפיזור האולטרסוניים העזים כדי לפזר את הננו־חלקיקים באופן הומוגני בפורמולציה.
נוסף על כך, טיפול אולטרסוני בפני השטח יכול לשנות את הננו־חלקיקים ולהביא לשיפור ביכולת הפיזור, ביציבות הפיזור, בהידרופוביות ובתכונות אחרות.
חוקרים המליצו על שיטת הפיזור האולטרסוני לננו־חלקיקים כפתרון מועדף, "משום שהחומר המפוזר בשיטה האולטרסונית טהור הרבה יותר מזה המיוצר באמצעות טחינה בטחנת חרוזים." [Kim et al. 2010].

לטכניקת הפיזור האולטרסוני יתרונות רבים בהשוואה לטכנולוגיות טחינה מסורתיות כגון טחנות שלושה גלילים, טחנות כדוריות או טחנות מדיית טחינה.

קראו עוד על הומוגניזציה ופיזור אולטרסוניים של פיגמנטים וחומרי צבע לתרכיזים ולפורמולציות צבע!

ספרות / מקורות

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.