Riduzione dimensionale dell’inchiostro mediante ultrasuoni (ad es. per la stampa a getto d’inchiostro)

La cavitazione ultrasonica è un mezzo efficace per la dispersione e la micromacinazione (macinazione a umido) dei pigmenti degli inchiostri. I dispersori a ultrasuoni sono utilizzati con successo sia nella ricerca sia nella produzione industriale di inchiostri per stampa a getto d’inchiostro a polimerizzazione UV, a base acquosa o a base di solventi.

Inchiostri nanodispersi per stampa a getto d’inchiostro

Gli ultrasuoni sono molto efficaci nella riduzione dimensionale delle particelle nell’intervallo da 500µm fino a circa 10nm.
Quando la sonicazione viene utilizzata per disperdere nanoparticelle nell’inchiostro per stampa a getto d’inchiostro, la gamma cromatica, la durata e la qualità di stampa possono migliorare notevolmente. Per questo motivo, i sonicatori a sonda sono ampiamente utilizzati nella produzione di inchiostri per stampa a getto d’inchiostro contenenti nanoparticelle, inchiostri speciali (ad es. inchiostri conduttivi, inchiostri per stampa 3D, inchiostri per tatuaggi) e vernici.
 

I grafici seguenti mostrano un esempio di confronto tra pigmenti neri non sonicati e pigmenti neri dispersi mediante ultrasuoni in un inchiostro per stampa a getto d’inchiostro. Il trattamento a ultrasuoni è stato eseguito con la sonda ultrasonica UIP1000hdT. Il risultato del trattamento a ultrasuoni è una dimensione delle particelle visibilmente inferiore e una distribuzione granulometrica molto stretta.

La dispersione a ultrasuoni produce pigmenti per inchiostri significativamente più piccoli e più uniformi. (grafico verde: prima della sonicazione – grafico rosso: dopo la sonicazione)

In che modo la dispersione a ultrasuoni migliora la qualità degli inchiostri per stampa a getto d’inchiostro?

I sonicatori ad alta intensità sono altamente efficienti nella dispersione, nella riduzione dimensionale e nella distribuzione uniforme delle nanoparticelle.
Ciò significa che disperdere nanoparticelle mediante ultrasuoni nell’inchiostro per stampa a getto d’inchiostro può migliorarne le prestazioni e la durata. Le nanoparticelle sono particelle molto piccole, con dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri, e possiedono proprietà uniche che possono migliorare l’inchiostro per stampa a getto d’inchiostro in diversi modi.

• In primo luogo, le nanoparticelle possono migliorare la gamma cromatica dell’inchiostro per stampa a getto d’inchiostro, ossia l’intervallo dei colori che possono essere prodotti. Quando le nanoparticelle vengono disperse uniformemente con un sonicatore a sonda, l’inchiostro presenta di conseguenza colori più vividi e saturi. Questo avviene perché le nanoparticelle possono diffondere e riflettere la luce in modi che i coloranti e i pigmenti tradizionali non consentono, migliorando così la riproduzione dei colori.
• In secondo luogo, le nanoparticelle disperse omogeneamente possono aumentare la resistenza dell’inchiostro per stampa a getto d’inchiostro allo sbiadimento, all’acqua e alle sbavature. Questo avviene perché le nanoparticelle possono legarsi più saldamente alla carta o ad altri supporti, creando un’immagine più resistente e duratura. Inoltre, le nanoparticelle possono impedire che l’inchiostro si diffonda nella carta, fenomeno che può causare sbavature e ridurre la nitidezza dell’immagine stampata.
• Infine, le nanoparticelle disperse mediante ultrasuoni possono anche migliorare la qualità e la risoluzione della stampa con inchiostri per stampa a getto d’inchiostro. I dispersori a ultrasuoni sono eccezionalmente efficienti nella macinazione e nella miscelazione di nanoparticelle nei liquidi. Utilizzando particelle più piccole, l’inchiostro può creare linee più sottili e precise, producendo immagini più nitide e definite. Questo è particolarmente importante in applicazioni come la stampa fotografica di alta qualità e la stampa di opere d’arte.

Controllo dei parametri di processo e dei risultati della dispersione

La dimensione delle particelle e la distribuzione granulometrica dei pigmenti degli inchiostri influenzano molte caratteristiche del prodotto, come il potere colorante o la qualità di stampa. Nella stampa a getto d’inchiostro, una piccola quantità di particelle più grandi può provocare instabilità della dispersione, sedimentazione o malfunzionamento degli ugelli. Per questo motivo, un buon controllo del processo di riduzione dimensionale utilizzato nella produzione è importante per la qualità dell’inchiostro per stampa a getto d’inchiostro.

Trattamento in linea delle nanodispersioni per inchiostri per stampa a getto d’inchiostro

I reattori a ultrasuoni Hielscher sono comunemente utilizzati in linea. L’inchiostro per stampa a getto d’inchiostro viene pompato nel recipiente del reattore, dove è esposto alla cavitazione ultrasonica a intensità controllata. Il tempo di esposizione dipende dal volume del reattore e dalla portata di alimentazione del materiale. La sonicazione in linea elimina il bypass, poiché tutte le particelle attraversano la camera del reattore seguendo un percorso definito. Poiché tutte le particelle sono esposte agli stessi parametri di sonicazione per lo stesso tempo durante ciascun ciclo, la sonicazione in genere restringe e sposta la curva di distribuzione anziché allargarla. La dispersione a ultrasuoni produce distribuzioni granulometriche relativamente simmetriche. Generalmente, nei campioni sonicati non si osserva una coda a destra – un’asimmetria negativa della curva causata da uno spostamento verso i materiali più grossolani (“coda” a destra).

Dispersione a temperature controllate: raffreddamento del processo

Per i veicoli sensibili alla temperatura, Hielscher offre reattori con cella di flusso dotati di camicia di raffreddamento per tutti i dispositivi da laboratorio e industriali. Raffreddando le pareti interne del reattore, è possibile dissipare efficacemente il calore di processo.

Le immagini seguenti mostrano il pigmento nero di carbonio disperso con la sonda ultrasonica UIP1000hdT in un inchiostro UV.

La dispersione a ultrasuoni garantisce un’efficace riduzione dimensionale delle particelle e una distribuzione uniforme dei pigmenti di nero di carbonio nell’inchiostro UV.

Dispersione e deagglomerazione degli inchiostri per stampa a getto d’inchiostro su qualsiasi scala

Hielscher produce apparecchiature per la dispersione a ultrasuoni per il trattamento di inchiostri di qualsiasi volume. Gli omogeneizzatori a ultrasuoni da laboratorio vengono utilizzati per volumi da 1,5mL a circa 2L e sono ideali sia per la fase di ricerca e sviluppo delle formulazioni degli inchiostri sia per i controlli di qualità. Inoltre, le prove di fattibilità in laboratorio consentono di selezionare con precisione le dimensioni delle apparecchiature necessarie per la produzione commerciale.
I dispersori a ultrasuoni industriali vengono utilizzati nella produzione per lotti da 0,5 a circa 2000L o per portate da 0,1L a 20m³ all’ora. A differenza di altre tecnologie di dispersione e macinazione, la sonicazione può essere facilmente trasferita a una scala maggiore, poiché tutti i parametri di processo importanti possono essere scalati linearmente.

La tabella seguente riporta raccomandazioni generali sui sonicatori in funzione del volume del lotto o della portata da trattare.

 
Come funzionano i dispersori a ultrasuoni? – Il principio di funzionamento della cavitazione acustica
La cavitazione ultrasonica è un processo che utilizza onde sonore ad alta frequenza per generare piccole bolle di gas in un liquido. Quando le bolle sono sottoposte a una pressione elevata, possono collassare, o implodere, rilasciando un impulso di energia. Questa energia può essere utilizzata per disperdere le particelle nel liquido, frammentandole in particelle di dimensioni inferiori.
Nella cavitazione ultrasonica, le onde sonore sono generate da un trasduttore a ultrasuoni, generalmente montato su una sonda o un sonotrodo. Il trasduttore converte l’energia elettrica in energia meccanica sotto forma di onde sonore, che vengono poi trasmesse al liquido attraverso la sonda o il sonotrodo. Quando le onde sonore raggiungono il liquido, generano onde ad alta pressione che possono provocare l’implosione delle bolle di gas.
La cavitazione ultrasonica presenta diverse potenziali applicazioni nei processi di dispersione, tra cui la produzione di emulsioni, la dispersione di pigmenti e cariche e la deagglomerazione delle particelle. La cavitazione ultrasonica può essere un metodo efficace per disperdere le particelle, poiché può generare elevate forze di taglio e un elevato apporto energetico; inoltre, altri importanti parametri di processo, come temperatura e pressione, possono essere controllati con precisione, consentendo di adattare il processo alle esigenze specifiche dell’applicazione. Questo controllo preciso del processo è uno dei principali vantaggi della sonicazione, poiché consente di produrre prodotti di alta qualità in modo affidabile e riproducibile, evitando qualsiasi degradazione indesiderata delle particelle o del liquido.

Robusti e facili da pulire

Un reattore a ultrasuoni è costituito dal recipiente del reattore e dal sonotrodo ultrasonico. Quest’ultimo è l’unico componente soggetto a usura e può essere facilmente sostituito in pochi minuti. Le flange di disaccoppiamento delle oscillazioni consentono di montare il sonotrodo in contenitori aperti o chiusi pressurizzabili oppure in celle di flusso, con qualsiasi orientamento. Non sono necessari cuscinetti. I reattori con cella di flusso sono generalmente realizzati in acciaio inossidabile, presentano geometrie semplici e possono essere facilmente smontati e puliti con un panno. Non vi sono piccoli orifizi o angoli nascosti.

Pulizia a ultrasuoni in situ

L’intensità ultrasonica utilizzata per le applicazioni di dispersione è molto superiore a quella impiegata nella tipica pulizia a ultrasuoni. Pertanto, la potenza ultrasonica può essere utilizzata per agevolare la pulizia durante il lavaggio e il risciacquo, poiché la cavitazione ultrasonica rimuove particelle e residui liquidi dal sonotrodo e dalle pareti della cella di flusso.