Ultrahang diszpergáláshoz és őrléshez: festékek és pigmentek

A nagy teljesítményű ultrahang jól ismert intenzív és pontosan szabályozható őrlési és diszpergálási hatásairól. Ez ideálissá teszi az ultrahangos homogenizátorokat pigmentpaszták és festékformulációk előállításához. Az ipari ultrahangos készülékek rendkívül egyenletes részecskeméret-eloszlást biztosítanak a mikrométeres és nanométeres tartományban. Dolgozzon fel nagy viszkozitású anyagokat nagy térfogatárammal a Hielscher ultrahangos készülékeivel a homogén nedvesítés, diszpergálás, dezagglomerálás és őrlés eléréséhez!

Festékgyártás ultrahanggal

Javítsa festékei, színezőanyagai és bevonatai minőségét ultrahangos kezeléssel:

• Formuláció: Legyen szó nagy viszkozitásról, nagy részecsketartalomról, vizes vagy oldószeres rendszerekről – a Hielscher ipari, átfolyó rendszerű ultrahangos készülékeivel bármilyen formulációt feldolgozhat.
• Mikrométeres és nanométeres méret: Az akusztikus kavitáció által létrehozott nagy nyíróerők rendkívül kis átmérőjűre csökkentik a részecskék méretét, és egyenletes diszperziót biztosítanak. Az ultrahangos kezelés paramétereinek a részecskékkel és a formulációval szemben támasztott követelményekhez való igazítása lehetővé teszi a nanoméretű pigmentek megbízható előállítását.
• Optikai tulajdonságok: A megfelelő optikai tulajdonságok eléréséhez szabályozni kell a pigmentek részecskeméretét. Az opacitás általában összefügg a részecskemérettel: minél kisebb a részecskeméret, annál nagyobb az opacitás. A TiO2-t például kifejezetten 0,20 és 0,3 mikrométer közötti részecskeméretre dolgozzák fel, amely megközelítőleg a fény hullámhosszának felével egyenlő. Az ultrahangos kezelés optimális méretűre csökkenti a TiO2-pigmenteket, így maximális fedőképesség érhető el.
• Nagy teljesítményű részecskék: A kisebb részecskeméret nagyobb színtelítettséget, egyenletesebb színt és nagyobb stabilitást eredményez. Az intenzív, ugyanakkor pontosan szabályozható ultrahangos erők lehetővé teszik módosított és funkcionalizált nanorészecskék, például bevonatos részecskék, SWNTs, MWCNTs és mag–héj szerkezetű részecskék előállítását. Ezek a részecskék egyedi tulajdonságokkal rendelkeznek, és a festék- vagy bevonatformulációk minőségét és funkcionalitását új szintre emelik (például UV-állóság, karcállóság, szilárdság, tapadóképesség, nagy hőállóság, infravörös sugárzás és napsugárzás visszaverése).
• Módosított részecskék: A felületmódosított pigmentek nagy pigmenttartalom mellett is nagyon alacsony viszkozitással (2,5cP 10% szilárdanyag-tartalom mellett), kiváló szuszpenzióstabilitással és nagy tisztasággal rendelkeznek. Az ultrahanggal segített részecskefunkcionalizálás egyszerűvé teszi a különleges tulajdonságú, nagy teljesítményű pigmentek szintézisét.

Az ultrahangos kavitációval és nagy nyíróerőkkel őrölt és diszpergált pigmentpaszták jelentős méretcsökkenést és egyenletes eloszlást mutatnak. A fenti diagram az ultrahangos energia növelésével fokozódó méretcsökkenést szemlélteti.

A festékgyártáshoz az összetevőket, például a pigmenteket, kötőanyagokat/ filmképzőket, hígítókat/ oldószereket, gyantákat, töltőanyagokat és adalékanyagokat homogén formulációvá kell összekeverni. A pigmentek azok a meghatározó összetevők, amelyek a festék színét adják. A legfontosabb fehér pigment a TiO2, amelyet optimális, 0,2 és 0,3 mikrométer közötti részecskeátmérőre kell őrölni a kívánt fehérség, fényesség, opacitás és a nagyon magas törésmutató eléréséhez. Az ultrahangos nyíróerők a TiO2-részecskék rendkívül hatékony és energiahatékony dezagglomerálását és diszpergálását biztosítják (lásd az alábbi képet).

Különböző szilárdanyag-koncentrációjú, ultrahanggal diszpergált TiO2-nanorészecske-szuszpenzió transzmissziós elektronmikroszkópos (TEM) képei. Az ultrahangos kezeléshez használt készülék: UIP1000hdT ultrahangos készülék
Balra: ultrahangos energiabevitel 1,8 × 10⁵ J/L – Jobbra: ultrahangos energiabevitel 5,4 × 10⁵ J/L
(Tanulmány és képek: ©Fasaki et al., 2012)

 
Az ultrahangos őrlés és diszpergálás javítja a festék minőségét azáltal, hogy javítja annak színezőerejét, sűrűségét, őrlési finomságát, diszperzióját és reológiáját.

Az ultrahangos diszpergálás és őrlés feltételei

A festékek és bevonatok minősége a pigmentek homogén diszpergálásától függ. A Hielscher Ultrasonics hatékony őrlő- és aprítóberendezéseket kínál a festékek diszpergálásához, különösen a nagy pigmenttartalmú formulációkhoz. Az ultrahangos diszpergáló készülékek működési mechanizmusa az őrlési, aprítási, dezagglomerálási és diszpergálási alkalmazásokban elsősorban az ultrahangos kavitáció által létrehozott nyírás elvén alapul. A részecskék szétválasztásához szükséges kavitációs nyíróerőket nagy nyomáskülönbségek, helyi forró pontok és folyadéksugarak hozzák létre, ami a részecskék egymással való ütközése révén azok széttöredezéséhez vezet.
Az ipari ultrahangos diszpergáló készülékek, például az ultrahangos szondánként 16 000 watt teljesítményű UIP16000hdT, képesek festékeket és bevonatokat nagy térfogatárammal feldolgozni.

A grindométeren látható, ultrahanggal kezelt krétafesték a pigmentek tökéletesen egyenletes dezagglomerálását és részecskeméret-eloszlását szemlélteti

Nanorészecskék diszpergálása

Az ultrahangos őrlés és diszpergálás gyakran az egyetlen módszer a nanorészecskék hatékony feldolgozására, amellyel különállóan diszpergált primer részecskék nyerhetők. A kis primer részecskeméret nagy felületet eredményez, és összefügg az egyedi részecsketulajdonságok és funkciók megjelenésével. Ugyanakkor a kisebb részecskeméret nagy felületi energiával jár, amely fokozott aggregációt és reakcióképességet eredményez, ezért intenzív ultrahangos diszpergáló erőkre van szükség a nanorészecskék homogén eloszlatásához a formulációban.
Emellett az ultrahangos felületkezelés módosíthatja a nanorészecskéket, ami javítja diszpergálhatóságukat, diszperzióstabilitásukat, hidrofób tulajdonságaikat és egyéb jellemzőiket.
A kutatók a nanorészecskék ultrahangos diszpergálását javasolták előnyben részesítendő megoldásként, „mert az ultrahangos módszerrel diszpergált anyag sokkal tisztább, mint a gyöngyőrléssel előállított anyag.” [Kim et al. 2010].

Az ultrahangos diszpergálási technika számos előnnyel rendelkezik a hagyományos őrlési technológiákhoz, például a háromhengeres malmokhoz, golyósmalmokhoz vagy őrlőtestes malmokhoz képest.

Tudjon meg többet a mesterkeverékekhez és festékformulációkhoz használt pigmentek és színezőanyagok ultrahangos homogenizálásáról és diszpergálásáról!

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.