Ultrazvučno smanjenje veličine čestica tinte (npr. za tintni ispis)

Ultrazvučna kavitacija učinkovito je sredstvo za dispergiranje i mikromljevenje (mokro mljevenje) pigmenata tinte. Ultrazvučni dispergatori uspješno se upotrebljavaju u istraživanju te u industrijskoj proizvodnji UV tinti i tinti na bazi vode ili otapala za tintni ispis.

Nanodispergirane tinte za tintni ispis

Ultrazvuk je vrlo učinkovit u smanjenju veličine čestica u rasponu od 500µm do približno 10nm.
Kada se ultrazvučna obrada upotrebljava za dispergiranje nanočestica u tinti za tintni ispis, raspon boja tinte, postojanost i kvaliteta ispisa mogu se znatno poboljšati. Stoga se ultrazvučni uređaji sa sondom široko primjenjuju u proizvodnji tinti za tintni ispis koje sadržavaju nanočestice, posebnih tinti (npr. vodljivih tinti, tinti za 3D ispis, tinti za tetoviranje) i boja.
 

Grafikoni u nastavku prikazuju primjer usporedbe crnih pigmenata u tinti za tintni ispis koji nisu obrađeni sonikacijom s onima koji su ultrazvučno dispergirani. Ultrazvučna obrada provedena je ultrazvučnom sondom UIP1000hdT. Rezultat ultrazvučne obrade vidljivo je manja veličina čestica i vrlo uska raspodjela veličine čestica.

Ultrazvučno dispergiranje rezultira znatno manjim i ujednačenijim pigmentima tinte. (zeleni grafikon: prije sonikacije – crveni grafikon: nakon sonikacije)

Kako ultrazvučno dispergiranje poboljšava kvalitetu tinte za tintni ispis?

Ultrazvučni uređaji visokog intenziteta vrlo su učinkoviti za dispergiranje, smanjenje veličine i ravnomjernu raspodjelu nanočestica.
To znači da dispergiranje nanočestica ultrazvukom u tinti za tintni ispis može poboljšati njezina uporabna svojstva i postojanost. Nanočestice su vrlo male čestice veličine u rasponu od 1 do 100 nanometara i imaju jedinstvena svojstva koja mogu poboljšati tintu za tintni ispis na nekoliko načina.

• Prvo, nanočestice mogu poboljšati raspon boja tinte za tintni ispis, koji se odnosi na raspon boja koje se mogu reproducirati. Kada su nanočestice ravnomjerno dispergirane ultrazvučnim uređajem sa sondom, tinta posljedično daje življe i zasićenije boje. To je zato što nanočestice mogu raspršivati i reflektirati svjetlost na načine na koje to tradicionalna bojila i pigmenti ne mogu, što dovodi do poboljšane reprodukcije boja.
• Drugo, homogeno dispergirane nanočestice mogu povećati otpornost tinte za tintni ispis na blijeđenje, vodu i razmazivanje. To je zato što se nanočestice mogu čvršće vezati za papir ili drugu podlogu, stvarajući postojaniju i dugotrajniju sliku. Osim toga, nanočestice mogu spriječiti razlijevanje tinte u papiru, koje može uzrokovati razmazivanje i smanjiti oštrinu ispisane slike.
• Naposljetku, ultrazvučno dispergirane nanočestice također mogu poboljšati kvalitetu i razlučivost ispisa tintom za tintni ispis. Ultrazvučni dispergatori iznimno su učinkoviti u mljevenju i miješanju nanočestica u tekućinama. Upotrebom manjih čestica tinta može stvoriti tanje i preciznije linije, što rezultira oštrijim i jasnijim slikama. To je osobito važno u primjenama kao što su visokokvalitetni ispis fotografija i ispis umjetničkih reprodukcija.

Kontrola procesnih parametara i rezultata dispergiranja

Veličina čestica i raspodjela veličine čestica pigmenata tinte utječu na mnoga svojstva proizvoda, kao što su moć obojenja ili kvaliteta ispisa. Pri tintnom ispisu mala količina većih čestica može dovesti do nestabilnosti disperzije, sedimentacije ili otkazivanja mlaznice za tintni ispis. Zbog toga je za kvalitetu tinte za tintni ispis važno imati dobru kontrolu nad postupkom smanjenja veličine čestica koji se primjenjuje u proizvodnji.

Obrada nanodisperzija za tinte za tintni ispis u protočnom sustavu

Hielscher ultrazvučni reaktori obično se upotrebljavaju u protočnom radu. Tinta za tintni ispis pumpa se u reaktorsku posudu. Ondje se izlaže ultrazvučnoj kavitaciji pri kontroliranom intenzitetu. Vrijeme izlaganja ovisi o volumenu reaktora i brzini dovoda materijala. Protočna sonikacija uklanja zaobilaženje jer sve čestice prolaze kroz reaktorsku komoru slijedeći definiranu putanju. Budući da su sve čestice tijekom svakog ciklusa jednako dugo izložene identičnim parametrima sonikacije, ultrazvučna obrada obično sužava i pomiče krivulju raspodjele umjesto da je proširuje. Ultrazvučnim dispergiranjem nastaju relativno simetrične raspodjele veličine čestica. Općenito se kod soniciranih uzoraka ne može uočiti izduženje repa udesno – negativna asimetrija krivulje uzrokovana pomakom prema krupnijem materijalu („rep” na desnoj strani).

Dispergiranje pri kontroliranim temperaturama: hlađenje procesa

Za nosače osjetljive na temperaturu Hielscher nudi reaktore s protočnim ćelijama s plaštem za sve laboratorijske i industrijske uređaje. Hlađenjem unutarnjih stijenki reaktora može se učinkovito odvoditi procesna toplina.

Slike u nastavku prikazuju pigment čađe dispergiran ultrazvučnom sondom UIP1000hdT u UV tinti.

Ultrazvučno dispergiranje osigurava učinkovito smanjenje veličine čestica i ravnomjernu raspodjelu pigmenata čađe u UV tinti.

Dispergiranje i deaglomeracija tinti za tintni ispis u bilo kojem mjerilu

Hielscher proizvodi opremu za ultrazvučno dispergiranje za obradu tinti bilo kojeg volumena. Laboratorijski ultrazvučni homogenizatori upotrebljavaju se za volumene od 1,5mL do približno 2L i idealni su za fazu istraživanja i razvoja formulacija tinti te za ispitivanja kvalitete. Nadalje, laboratorijska ispitivanja izvedivosti omogućuju precizan odabir potrebne veličine opreme za komercijalnu proizvodnju.
Industrijski ultrazvučni dispergatori upotrebljavaju se u proizvodnji za šarže od 0,5 do približno 2000L ili protoke od 0,1L do 20m³ na sat. Za razliku od drugih tehnologija dispergiranja i mljevenja, ultrazvučna obrada može se lako prenijeti u veće mjerilo jer se svi važni procesni parametri mogu linearno skalirati.

Tablica u nastavku prikazuje opće preporuke za ultrazvučne uređaje ovisno o volumenu šarže ili protoku koji treba obraditi.

 
Kako rade ultrazvučni dispergatori? – Načelo rada akustične kavitacije
Ultrazvučna kavitacija proces je koji upotrebljava visokofrekventne zvučne valove za stvaranje malih plinskih mjehurića u tekućini. Kada su mjehurići izloženi visokom tlaku, mogu se urušiti ili implodirati, pri čemu se naglo oslobađa energija. Ta se energija može upotrijebiti za dispergiranje čestica u tekućini, usitnjavajući ih.
Pri ultrazvučnoj kavitaciji zvučne valove stvara ultrazvučni pretvornik, koji je obično postavljen na sondu ili sonotrodu. Pretvornik pretvara električnu energiju u mehaničku energiju u obliku zvučnih valova, koji se zatim kroz sondu ili sonotrodu prenose u tekućinu. Kada zvučni valovi dosegnu tekućinu, stvaraju valove visokog tlaka koji mogu uzrokovati imploziju plinskih mjehurića.
Postoji nekoliko mogućih primjena ultrazvučne kavitacije u procesima dispergiranja, uključujući proizvodnju emulzija, dispergiranje pigmenata i punila te deaglomeraciju čestica. Ultrazvučna kavitacija može biti učinkovit način dispergiranja čestica jer može stvarati velike smične sile i osigurati unos energije, a drugi važni procesni parametri, poput temperature i tlaka, mogu se precizno kontrolirati, što omogućuje prilagodbu procesa specifičnim potrebama primjene. Ta precizna kontrola procesa jedna je od istaknutih prednosti sonikacije jer se visokokvalitetni proizvodi mogu proizvoditi pouzdano i ponovljivo te se izbjegava svaka neželjena razgradnja čestica ili tekućine.

Robusni i jednostavni za čišćenje

Ultrazvučni reaktor sastoji se od reaktorske posude i ultrazvučne sonotrode. Sonotroda je jedini dio koji je podložan trošenju i može se lako zamijeniti u roku od nekoliko minuta. Prirubnice za odvajanje oscilacija omogućuju ugradnju sonotrode u otvorene ili zatvorene posude koje se mogu staviti pod tlak ili u protočne ćelije u bilo kojoj orijentaciji. Ležajevi nisu potrebni. Reaktori s protočnim ćelijama uglavnom su izrađeni od nehrđajućeg čelika, imaju jednostavnu geometriju te se mogu lako rastaviti i obrisati. Nema malih otvora ni skrivenih kutova.

Ultrazvučno čišćenje na mjestu

Intenzitet ultrazvuka koji se primjenjuje za dispergiranje mnogo je veći nego pri uobičajenom ultrazvučnom čišćenju. Stoga se ultrazvučna snaga može upotrijebiti kao pomoć pri čišćenju tijekom ispiranja i isplahivanja jer ultrazvučna kavitacija uklanja čestice i ostatke tekućine sa sonotrode i sa stijenki protočne ćelije.