Ultrazvučno smanjenje veličine tinte (npr. za inkjet)

Ultrazvučna kavitacija učinkovito je sredstvo za raspršivanje i mikromljevenje (mokro mljevenje) pigmenata tinte. Ultrazvučni raspršivači uspješno se koriste u istraživanju, kao iu industrijskoj proizvodnji tintnih tinti na bazi UV-a, vode ili otapala.

Nano-disperzne inkjet tinte

Ultrazvuk je vrlo učinkovit u smanjenju veličine čestica u rasponu od 500 µm do cca. 10nm.
Kada se ultrazvučna obrada koristi za raspršivanje nanočestica u inkjet tinti, raspon boja tinte, trajnost i kvaliteta ispisa mogu se znatno poboljšati. Stoga se ultrazvučni uređaji tipa sonde široko koriste u proizvodnji tintnih tinti koje sadrže nanočestice, specijalnih tinti (npr. vodljive tinte, tinte za 3D ispis, tinte za tetoviranje) i boja.
 

Grafikoni u nastavku prikazuju primjer nesonificiranih i ultrazvučno raspršenih crnih pigmenata u inkjet tinti. Ultrazvučni tretman izveden je ultrazvučnom sondom UIP1000hdT. Rezultat ultrazvučnog tretmana je vidljivo manja veličina čestica i vrlo uska raspodjela veličine čestica.

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

Kako ultrazvučna disperzija poboljšava kvalitetu tinte za tinte?

Ultrasonicators visokog intenziteta vrlo su učinkoviti za disperziju, smanjenje veličine i jednoliku distribuciju nanočestica.
To znači da raspršivanje nanočestica ultrazvukom u inkjet tinti može poboljšati njegovu izvedbu i trajnost. Nanočestice su vrlo male čestice veličine u rasponu od 1 do 100 nanometara i imaju jedinstvena svojstva koja mogu poboljšati inkjet tintu na nekoliko načina.

• Prvo, nanočestice mogu poboljšati raspon boja inkjet tinte, što se odnosi na raspon boja koje se mogu proizvesti. Kada se nanočestice ravnomjerno rasprše ultrazvučnim uređajem tipa sonde, tinta posljedično pokazuje življe i zasićenije boje. To je zato što nanočestice mogu raspršiti i reflektirati svjetlost na načine na koje tradicionalne boje i pigmenti ne mogu, što dovodi do poboljšane reprodukcije boja.
• Drugo, homogeno raspršene nanočestice mogu povećati otpornost inkjet tinte na blijeđenje, vodu i razmazivanje. To je zato što se nanočestice mogu jače vezati za papir ili drugu podlogu, stvarajući trajniju i dugotrajniju sliku. Osim toga, nanočestice mogu spriječiti curenje tinte u papir, što može uzrokovati mrljanje i smanjiti oštrinu ispisane slike.
• Na kraju, ultrazvučno raspršene nanočestice također mogu poboljšati kvalitetu ispisa i rezoluciju inkjet tinte. Ultrazvučni raspršivači su iznimno učinkoviti kada je u pitanju mljevenje i miješanje nanočestica u tekućinama. Korištenjem manjih čestica, tinta može stvoriti finije i preciznije linije, što rezultira oštrijim i jasnijim slikama. Ovo je osobito važno u primjenama kao što su visokokvalitetni ispis fotografija i ispis umjetnina.

Kontrola nad procesnim parametrima i rezultatima disperzije

Veličina čestica i raspodjela veličine čestica pigmenata tinte utječu na mnoge karakteristike proizvoda, poput snage nijansiranja ili kvalitete ispisa. Kada je riječ o inkjet ispisu, mala količina većih čestica može dovesti do disperzijske nestabilnosti, sedimentacije ili kvara inkjet mlaznice. Iz tog je razloga za kvalitetu inkjet tinte važno imati dobru kontrolu nad postupkom smanjenja veličine koji se koristi u proizvodnji.

Inline obrada nano-disperzija za tintne tinte

Hielscher ultrazvučni reaktori se obično koriste u liniji. Inkjet tinta se pumpa u reaktorsku posudu. Tamo se izlaže ultrazvučnoj kavitaciji kontroliranim intenzitetom. Vrijeme izlaganja je rezultat volumena reaktora i brzine punjenja materijala. Inline sonikacija eliminira zaobilaženje jer sve čestice prolaze kroz komoru reaktora slijedeći definiranu putanju. Budući da su sve čestice izložene identičnim parametrima ultrazvuka isto vrijeme tijekom svakog ciklusa, ultrazvuk obično sužava i pomiče krivulju distribucije umjesto da je širi. Ultrazvučna disperzija proizvodi relativno simetrične raspodjele veličine čestica. Općenito, pravi rep – a negative skew of the curve caused by a shift to the coarse materials (“rep” on the right) – ne može se uočiti na ultrazvučno obrađenim uzorcima.

Disperzija pod kontroliranim temperaturama: procesno hlađenje

Za vozila osjetljiva na temperaturu, Hielscher nudi reaktore s protočnim ćelijama s omotačem za sve laboratorijske i industrijske uređaje. Hlađenjem unutarnjih stijenki reaktora procesna se toplina može učinkovito raspršiti.

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

Ultrazvučna disperzija osigurava učinkovito smanjenje veličine čestica i ravnomjernu distribuciju pigmenata čađe u UV tinti.

Raspršivanje i deaglomeracija tintnih tinti u bilo kojoj mjeri

Hielscher proizvodi ultrazvučnu opremu za raspršivanje za obradu tinte u bilo kojem volumenu. Ultrazvučni laboratorijski homogenizatori koriste se za volumene od 1,5 mL do cca. 2L i idealni su za R+D fazu formulacija tinte kao i za testiranje kvalitete. Nadalje, test izvedivosti u laboratoriju omogućuje točan odabir potrebne veličine opreme za komercijalnu proizvodnju.
Industrijski ultrazvučni raspršivači koriste se u proizvodnji za šarže od 0,5 do cca 2000L ili brzine protoka od 0,1L do 20m³ na sat. Za razliku od drugih tehnologija raspršivanja i mljevenja, ultrazvučna obrada može se lako povećati budući da se svi važni parametri procesa mogu linearno skalirati.

Donja tablica prikazuje opće preporuke za ultrazvučne uređaje ovisno o volumenu šarže ili brzini protoka koja se obrađuje.

 
Kako rade ultrazvučni raspršivači? – Princip rada akustične kavitacije
Ultrazvučna kavitacija je proces koji koristi visokofrekventne zvučne valove za stvaranje malih mjehurića plina u tekućini. Kada su mjehurići podvrgnuti visokom tlaku, mogu se srušiti ili implodirati, oslobađajući nalet energije. Ta se energija može koristiti za raspršivanje čestica u tekućini, razlažući ih na manje veličine.
U ultrazvučnoj kavitaciji, zvučne valove generira ultrazvučni pretvarač, koji je obično montiran na sondu ili rog. Pretvarač pretvara električnu energiju u mehaničku energiju u obliku zvučnih valova, koji se zatim prenose u tekućinu kroz sondu ili sirenu. Kada zvučni valovi dopru do tekućine, stvaraju valove visokog tlaka koji mogu uzrokovati imploziju mjehurića plina.
Postoji nekoliko potencijalnih primjena za ultrazvučnu kavitaciju u disperzijskim procesima, uključujući proizvodnju emulzija, disperziju pigmenata i punila te deaglomeraciju čestica. Ultrazvučna kavitacija može biti učinkovit način za raspršivanje čestica jer može generirati velike sile smicanja i unos energije, kao i druge važne procesne parametre kao što su temperatura i tlak koji se mogu precizno kontrolirati, što omogućuje prilagođavanje procesa specifičnim potrebama primjena. Ova precizna kontrola procesa jedna je od istaknutih prednosti sonikacije budući da se visokokvalitetni proizvodi mogu proizvesti pouzdano i ponovljivo te se izbjegava bilo kakva neželjena degradacija čestica ili tekućine.

Robustan i jednostavan za čišćenje

Ultrazvučni reaktor sastoji se od reaktorske posude i ultrazvučne sonotrode. Ovo je jedini dio koji je podložan habanju i može se lako zamijeniti u roku od nekoliko minuta. Prirubnice za odvajanje oscilacija omogućuju montažu sonotrode u otvorene ili zatvorene posude pod pritiskom ili protočne ćelije u bilo kojem smjeru. Nisu potrebni ležajevi. Reaktori s protočnim ćelijama općenito su izrađeni od nehrđajućeg čelika i imaju jednostavnu geometriju te se lako mogu rastaviti i obrisati. Nema malih otvora ili skrivenih uglova.

Ultrazvučni čistač na mjestu

Intenzitet ultrazvuka koji se koristi za raspršivanje puno je veći nego za tipično ultrazvučno čišćenje. Stoga se ultrazvučna snaga može koristiti za pomoć čišćenju tijekom ispiranja i ispiranja, budući da ultrazvučna kavitacija uklanja čestice i ostatke tekućine iz sonotrode i sa stijenki protočne ćelije.