Tinták ultrahangos szemcseméret-csökkentése (pl. tintasugaras nyomtatáshoz)

Az ultrahangos kavitáció hatékony módszer a tintapigmentek diszpergálására és mikroőrlésére (nedves őrlésére). Az ultrahangos diszpergálókat sikeresen alkalmazzák mind a kutatásban, mind az UV-, víz- vagy oldószeralapú tintasugaras nyomtatótinták ipari gyártásában.

Nanodiszpergált tintasugaras nyomtatótinták

Az ultrahang rendkívül hatékony a részecskék méretének csökkentésében az 500µm-től egészen kb. 10nm-ig terjedő tartományban.
Ha ultrahangos kezeléssel diszpergálják a nanorészecskéket a tintasugaras nyomtatótintában, jelentősen javulhat a tinta színterjedelme, tartóssága és nyomtatási minősége. Ezért a szondás ultrahangos készülékeket széles körben alkalmazzák nanorészecskéket tartalmazó tintasugaras nyomtatótinták, speciális tinták (pl. vezetőképes tinták, 3D-nyomtatáshoz használható tinták, tetoválótinták) és festékek gyártásában.
 

Az alábbi grafikonok példaként összehasonlítják a tintasugaras nyomtatótintában található, ultrahanggal nem kezelt és ultrahanggal diszpergált fekete pigmenteket. Az ultrahangos kezelést a UIP1000hdT ultrahangos szondával végezték. Az ultrahangos kezelés eredménye láthatóan kisebb részecskeméret és rendkívül szűk részecskeméret-eloszlás.

Az ultrahangos diszpergálás jelentősen kisebb és egyenletesebb méretű tintapigmenteket eredményez. (zöld grafikon: ultrahangos kezelés előtt – piros grafikon: ultrahangos kezelés után)

Hogyan javítja az ultrahangos diszpergálás a tintasugaras nyomtatótinta minőségét?

A nagy intenzitású ultrahangos készülékek rendkívül hatékonyak a nanorészecskék diszpergálásában, méretcsökkentésében és egyenletes eloszlatásában.
Ez azt jelenti, hogy a nanorészecskék ultrahangos diszpergálása a tintasugaras nyomtatótintában javíthatja annak teljesítményét és tartósságát. A nanorészecskék nagyon apró, 1–100 nanométer méretű részecskék, amelyek egyedi tulajdonságaik révén többféleképpen is javíthatják a tintasugaras nyomtatótinta jellemzőit.

• Először is, a nanorészecskék javíthatják a tintasugaras nyomtatótinta színterjedelmét, vagyis az előállítható színek tartományát. Ha a nanorészecskéket szondás ultrahangos készülékkel egyenletesen diszpergálják, a tinta ennek következtében élénkebb és telítettebb színeket mutat. Ennek oka, hogy a nanorészecskék olyan módokon képesek szórni és visszaverni a fényt, amelyekre a hagyományos színezékek és pigmentek nem képesek, így javul a színvisszaadás.
• Másodszor, a homogénen diszpergált nanorészecskék növelhetik a tintasugaras nyomtatótinta fakulással, vízzel és elkenődéssel szembeni ellenállását. Ennek oka, hogy a nanorészecskék erősebben kötődhetnek a papírhoz vagy más hordozóhoz, így tartósabb és hosszabb élettartamú kép jön létre. Emellett a nanorészecskék megakadályozhatják a tinta szétfutását a papírban, ami elkenődést okozhat, és csökkentheti a nyomtatott kép élességét.
• Végül az ultrahanggal diszpergált nanorészecskék a tintasugaras nyomtatótinta nyomtatási minőségét és felbontását is javíthatják. Az ultrahangos diszpergálók kivételesen hatékonyak a folyadékokban lévő nanorészecskék őrlésében és elkeverésében. Kisebb részecskék alkalmazásával a tinta finomabb és pontosabb vonalakat hozhat létre, ami élesebb és tisztább képeket eredményez. Ez különösen fontos az olyan alkalmazásokban, mint a kiváló minőségű fényképnyomtatás és a képzőművészeti nyomtatás.

A folyamatparaméterek és a diszpergálás eredményeinek szabályozása

A tintapigmentek részecskemérete és részecskeméret-eloszlása számos terméktulajdonságot befolyásol, például a színezőerőt vagy a nyomtatási minőséget. Tintasugaras nyomtatás esetén már kis mennyiségű nagyobb részecske is a diszperzió instabilitásához, ülepedéshez vagy a tintasugaras fúvóka meghibásodásához vezethet. Ezért a tintasugaras nyomtatótinta minősége szempontjából fontos a gyártás során alkalmazott méretcsökkentési folyamat megfelelő szabályozása.

Tintasugaras nyomtatótinták nanodiszperzióinak feldolgozása a gyártósorba építve

A Hielscher ultrahangos reaktorait gyakran a gyártósorba építve használják. A tintasugaras nyomtatótintát a reaktortartályba szivattyúzzák. Ott szabályozott intenzitású ultrahangos kavitációnak teszik ki. A kezelési időt a reaktor térfogata és az anyag betáplálási sebessége határozza meg. A gyártósorba épített ultrahangos kezelés kiküszöböli a kezelés megkerülését, mivel minden részecske meghatározott útvonalon halad át a reaktorkamrán. Mivel minden részecskét minden ciklusban azonos ideig, azonos ultrahangos kezelési paramétereknek tesznek ki, az ultrahangos kezelés jellemzően szűkíti és eltolja az eloszlási görbét, ahelyett hogy kiszélesítené azt. Az ultrahangos diszpergálás viszonylag szimmetrikus részecskeméret-eloszlásokat eredményez. Az ultrahanggal kezelt mintákban általában nem figyelhető meg jobbra elnyúló farok – a görbe negatív ferdesége, amelyet a durvább szemcséjű anyagok felé történő eltolódás okoz („farok” a jobb oldalon).

Diszpergálás szabályozott hőmérsékleten: folyamathűtés

Hőmérséklet-érzékeny vivőközegekhez a Hielscher minden laboratóriumi és ipari készülékhez köpenyes átfolyó cellás reaktorokat kínál. A reaktor belső falainak hűtésével a folyamat során keletkező hő hatékonyan elvezethető.

Az alábbi képeken UV-tintában, a UIP1000hdT ultrahangos szondával diszpergált korompigment látható.

Az ultrahangos diszpergálás biztosítja a korompigmentek hatékony részecskeméret-csökkentését és egyenletes eloszlását az UV-tintában.

Tintasugaras nyomtatótinták diszpergálása és deagglomerálása bármilyen léptékben

A Hielscher ultrahangos diszpergálóberendezéseket gyárt tinták tetszőleges térfogatban történő feldolgozásához. Az ultrahangos laboratóriumi homogenizátorokat 1,5mL-től kb. 2L-ig terjedő térfogatokhoz használják, és ideálisak mind a tintareceptúrák K+F szakaszához, mind a minőségvizsgálatokhoz. Emellett a laboratóriumi megvalósíthatósági vizsgálatok lehetővé teszik a kereskedelmi célú gyártáshoz szükséges berendezésméret pontos kiválasztását.
Az ipari ultrahangos diszpergálókat a gyártásban 0,5 és kb. 2000L közötti tételtérfogatokhoz, vagy óránként 0,1L és 20m³ közötti térfogatáramokhoz használják. Más diszpergálási és őrlési technológiáktól eltérően az ultrahangos kezelés könnyen nagyobb léptékre méretezhető, mivel minden fontos folyamatparaméter lineárisan skálázható.

Az alábbi táblázat általános ajánlásokat ad az ultrahangos készülékek kiválasztásához a feldolgozandó tételtérfogat vagy térfogatáram függvényében.

 
Hogyan működnek az ultrahangos diszpergálók? – Az akusztikus kavitáció működési elve
Az ultrahangos kavitáció olyan folyamat, amely nagyfrekvenciás hanghullámok segítségével apró gázbuborékokat hoz létre egy folyadékban. Ha a buborékokat nagy nyomás éri, összeomolhatnak, azaz befelé robbanhatnak, és eközben hirtelen energia szabadul fel. Ez az energia felhasználható a folyadékban lévő részecskék diszpergálására, kisebb méretű részecskékre bontva őket.
Az ultrahangos kavitáció során a hanghullámokat egy ultrahangos átalakító hozza létre, amelyet jellemzően egy szondára vagy ultrahangos kürtre szerelnek. Az átalakító az elektromos energiát hanghullámok formájában mechanikai energiává alakítja, amelyet ezután a szondán vagy a kürtön keresztül a folyadékba továbbítanak. Amikor a hanghullámok elérik a folyadékot, nagy nyomású hullámokat hoznak létre, amelyek a gázbuborékok befelé robbanását okozhatják.
Az ultrahangos kavitációnak számos lehetséges alkalmazása van a diszpergálási folyamatokban, többek között az emulziók előállítása, a pigmentek és töltőanyagok diszpergálása, valamint a részecskék deagglomerálása. Az ultrahangos kavitáció hatékony módszer lehet a részecskék diszpergálására, mivel nagy nyíróerőket és nagy energiabevitelt hozhat létre, továbbá más fontos folyamatparaméterek, például a hőmérséklet és a nyomás is pontosan szabályozhatók, így a folyamat az adott alkalmazás sajátos igényeihez igazítható. Ez a pontos folyamatszabályozás az ultrahangos kezelés egyik kiemelkedő előnye, mivel kiváló minőségű termékek állíthatók elő megbízhatóan és reprodukálhatóan, miközben elkerülhető a részecskék vagy a folyadék bármilyen nem kívánt károsodása.

Robusztus és könnyen tisztítható

Az ultrahangos reaktor a reaktortartályból és az ultrahangos szonotródából áll. A szonotróda az egyetlen kopásnak kitett alkatrész, és néhány percen belül könnyen kicserélhető. A rezgést leválasztó karimák lehetővé teszik, hogy a szonotródát bármilyen helyzetben nyitott vagy zárt, nyomás alá helyezhető tartályokba vagy átfolyó cellákba szereljék. Nincs szükség csapágyakra. Az átfolyó cellás reaktorok általában rozsdamentes acélból készülnek, egyszerű geometriájúak, és könnyen szétszerelhetők és kitörölhetők. Nincsenek apró nyílások vagy rejtett sarkok.

Ultrahangos tisztítás szétszerelés nélkül

A diszpergálási alkalmazásokban használt ultrahangos intenzitás sokkal nagyobb, mint a szokásos ultrahangos tisztításnál. Ezért az ultrahangos teljesítmény felhasználható a tisztítás elősegítésére az átmosás és az öblítés során, mivel az ultrahangos kavitáció eltávolítja a részecskéket és a folyadékmaradványokat a szonotródáról és az átfolyó cella falairól.