Ultrazvuk za dispergiranje i mljevenje: boje i pigmenti

Ultrazvuk velike snage dobro je poznat po svojim intenzivnim i precizno podesivim učincima mljevenja i dispergiranja. Zbog toga su ultrazvučni homogenizatori idealni za proizvodnju pigmentnih pasta i formulacija boja. Industrijski ultrazvučni uređaji omogućuju vrlo ujednačenu raspodjelu veličine čestica u mikrometarskom i nanometarskom rasponu. Obrađujte velike volumne protoke visokoviskoznih materijala sonikatorima Hielscher kako biste postigli homogeno vlaženje, dispergiranje, deaglomeraciju i mljevenje!

Proizvodnja boja ultrazvukom

Poboljšajte svoje boje, bojila i premaze sonikacijom:

• Formulacija: Bilo da je riječ o visokim viskoznostima, visokim udjelima čestica ili formulacijama na bazi vode ili otapala – industrijskim ultrazvučnim uređajima Hielscher za obradu u toku možete obraditi bilo koju formulaciju.
• Mikrometarske i nanometarske veličine: Visoke smične sile koje nastaju akustičnom kavitacijom smanjuju promjer čestica na vrlo male vrijednosti i osiguravaju ujednačenu disperziju. Prilagodba parametara ultrazvučne obrade zahtjevima vaših čestica i formulacije omogućuje pouzdanu proizvodnju pigmenata nanometarskih veličina.
• Optička svojstva: Za postizanje odgovarajućih optičkih svojstava potrebno je kontrolirati veličinu čestica pigmenta. Neprozirnost je obično povezana s veličinom čestica: što su čestice sitnije, to je neprozirnost veća. Primjerice, TiO2 se ciljano obrađuje do veličine čestica od 0,20 do 0,3 mikrometra, što približno odgovara polovini valne duljine svjetlosti. Ultrazvučnom obradom pigmenti TiO2 smanjuju se na svoju optimalnu veličinu, čime se postiže najveća pokrivnost.
• Čestice visokih performansi: Manje čestice omogućuju veću zasićenost boje, ujednačenost boje i stabilnost. Intenzivne, ali precizno podesive ultrazvučne sile omogućuju proizvodnju modificiranih i funkcionaliziranih nanočestica, kao što su obložene čestice, SWNTs, MWCNTs i čestice s jezgrom i ljuskom. Takve čestice pokazuju jedinstvena svojstva i podižu formulacije boja ili premaza na novu razinu kvalitete i funkcionalnosti (npr. otpornost na UV zračenje, otpornost na ogrebotine, čvrstoća, prionjivost, visoka otpornost na toplinu te reflektivnost infracrvenog i sunčeva zračenja).
• Modificirane čestice: Površinski modificirani pigmenti imaju vrlo nisku viskoznost pri visokim udjelima pigmenta (2,5cP pri 10% krutih tvari), iznimnu stabilnost suspenzije i visoku čistoću. Funkcionalizacija čestica potpomognuta ultrazvukom olakšava sintezu pigmenata visokih performansi s posebnim svojstvima.

Pigmentne paste koje se melju i dispergiraju ultrazvučnom kavitacijom i visokim smičnim silama pokazuju znatno smanjenje veličine čestica i ujednačenu raspodjelu. Gornji grafikon prikazuje sve veće smanjenje veličine s povećanjem ultrazvučne energije.

Za proizvodnju boje komponente kao što su pigmenti, veziva / tvari koje stvaraju film, razrjeđivači / otapala, smole, punila i aditivi moraju se pomiješati u homogenu formulaciju. Pigmenti su ključna komponenta koja boji daje njezinu boju. Najvažniji bijeli pigment je TiO2, koji je potrebno samljeti do optimalne veličine čestica promjera između 0,2 i 0,3 mikrometra kako bi se postigli željeni stupanj bjeline, svjetline i neprozirnosti te vrlo visok indeks loma. Ultrazvučne smične sile omogućuju vrlo učinkovitu i energetski učinkovitu deaglomeraciju i dispergiranje čestica TiO2 (vidi sliku u nastavku).

TEM prikaz ultrazvučno dispergirane suspenzije nanočestica TiO2 s različitim koncentracijama krutih tvari. Sonikacija je provedena uređajem za ultrazvučnu obradu UIP1000hdT
Lijevo: unos ultrazvučne energije 1,8 × 10⁵ J/L – desno: unos ultrazvučne energije 5,4 × 10⁵ J/L
(Istraživanje i slike: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ultrazvučno mljevenje i dispergiranje povećavaju kvalitetu boje poboljšavanjem njezine moći bojenja, gustoće, finoće mljevenja, disperzije i reologije.

Uvjeti ultrazvučnog dispergiranja i mljevenja

Kvaliteta boja i premaza ovisi o homogenoj disperziji pigmenata. Hielscher Ultrasonics isporučuje učinkovitu opremu za mljevenje i usitnjavanje za dispergiranje boja, osobito za formulacije s visokim udjelima pigmenta. Mehanizam rada ultrazvučnih dispergatora pri mljevenju, usitnjavanju, deaglomeraciji i dispergiranju uglavnom se temelji na smicanju koje nastaje ultrazvučnom kavitacijom. Kavitacijske smične sile potrebne za razdvajanje čestica nastaju zbog velikih razlika tlaka, lokalnih vrućih točaka i mlazova tekućine, što dovodi do usitnjavanja čestica njihovim međusobnim sudaranjem.
Industrijski ultrazvučni dispergatori kao što je UIP16000hdT sa 16.000 vata po ultrazvučnoj sondi mogu obrađivati velike volumne protoke boja i premaza.

Boja na bazi krede obrađena sonikacijom na grindometru pokazuje savršeno ujednačenu deaglomeraciju i raspodjelu veličine čestica pigmenata

Dispergiranje nanočestica

Ultrazvučno mljevenje i dispergiranje često su jedina metoda za učinkovitu obradu nanočestica radi dobivanja pojedinačno dispergiranih primarnih čestica. Mala veličina primarnih čestica rezultira velikom površinom i povezana je s izraženošću jedinstvenih svojstava i funkcionalnosti čestica. Istodobno, manja veličina čestica povezana je s visokom površinskom energijom koja dovodi do izraženije agregacije i reaktivnosti, pa su za homogeno dispergiranje nanočestica u formulaciji potrebne intenzivne ultrazvučne sile dispergiranja.
Nadalje, ultrazvučnom obradom površine mogu se modificirati nanočestice, čime se poboljšavaju disperzibilnost, stabilnost disperzije, hidrofobnost i druga svojstva.
Istraživači su preporučili ultrazvučnu metodu dispergiranja nanočestica kao poželjno rješenje, “jer je materijal dispergiran ultrazvučnom metodom mnogo čišći od materijala proizvedenog mljevenjem kuglicama.” [Kim et al. 2010].

Tehnika ultrazvučnog dispergiranja ima brojne prednosti u usporedbi s tradicionalnim tehnologijama mljevenja, kao što su trovaljni mlinovi, kuglični mlinovi ili mlinovi s medijima za mljevenje.

Pročitajte više o ultrazvučnoj homogenizaciji i dispergiranju pigmenata i bojila za koncentrirane smjese i formulacije boja!

Literatura / Reference

• 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.