超音波によるインクのサイズ縮小（インクジェット用など）

超音波キャビテーションは、インク顔料の分散と微粉砕（湿式粉砕）に効果的な手段です。超音波分散機は、研究だけでなく、UVベース、水ベース、または溶剤ベースのインクジェットインクの工業的製造においても成功裏に使用されています。

ナノ分散インクジェットインク

超音波は、500µmから約10nmまでの粒子のサイズダウンに非常に効果的です。
超音波処理を用いてナノ粒子をインクジェットインクに分散させると、インクの色域、耐久性、印刷品質を大幅に向上させることができる。そのため、ナノ粒子含有インクジェットインク、特殊インク（導電性インク、3Dプリンタブルインク、タトゥーインクなど）、塗料の製造において、プローブ型超音波発生装置が広く使用されている。
 

下のグラフは、インクジェットインク中の黒色顔料を非ソニック処理と超音波分散処理した場合の例です。超音波処理は、超音波プローブUIP1000hdTを用いて行いました。超音波処理の結果、粒子径が目に見えて小さくなり、粒度分布が非常に狭くなっています。

超音波分散により、インク顔料はより小さく、より均一になる。(緑のグラフ：超音波分散前 – 赤いグラフ：超音波処理後）

超音波分散はどのようにインクジェットインクの品質を向上させるのか？

高強度超音波発生装置は、ナノ粒子の分散、サイズ縮小、均一分散に非常に効率的である。
つまり、インクジェット・インクにナノ粒子を超音波で浸透させることで、その性能と耐久性を向上させることができるのだ。ナノ粒子は、1～100ナノメートルの大きさの非常に小さな粒子で、インクジェット・インクをいくつかの方法で向上させることができるユニークな特性を持っています。

• 第一に、ナノ粒子はインクジェットインクの色域を向上させることができる。ナノ粒子をプローブ型超音波発生装置で均一に分散させると、インクはより鮮やかで飽和した色を示す。これは、ナノ粒子が従来の染料や顔料では不可能な方法で光を散乱・反射させ、色再現性の向上につながるためである。
• 第二に、均一に分散されたナノ粒子は、インクジェットインクの色あせ、水、汚れに対する耐性を高めることができる。これは、ナノ粒子が紙や他の基材とより強く結合し、より耐久性があり、より長持ちする画像を作り出すことができるためである。さらに、ナノ粒子は、にじみや印刷画像の鮮明さを低下させる原因となる紙へのインクのにじみを防ぐことができる。
• 最後に、超音波分散されたナノ粒子は、インクジェット・インクの印刷品質と解像度を向上させることもできる。超音波分散機は、液体中でナノ粒子を粉砕・混合する際に非常に効率的である。より小さな粒子を使用することで、インクはより微細で正確な線を描くことができ、よりシャープで鮮明な画像を得ることができる。これは、高品質の写真印刷やファインアート印刷などの用途で特に重要です。

プロセスパラメータと分散結果の制御

インク顔料の粒子径と粒度分布は、着色力や印刷品質など多くの製品特性に影響を与えます。インクジェット印刷では、少量の大きな粒子が分散不安定や沈降、インクジェットノズルの故障につながる可能性があります。このような理由から、インクジェットインクの品質にとって、生産工程で使用される粒度低減プロセスを適切に管理することが重要なのです。

インクジェットインク用ナノ分散液のインライン処理

Hielscher社の超音波リアクターは、一般的にインラインで使用される。インクジェットインクはリアクター容器に送り込まれる。そこで制御された強度で超音波キャビテーションにさらされる。照射時間は、リアクターの容積と材料の供給速度によって決まります。インライン超音波処理では、すべての粒子が決められた経路をたどってリアクターチャンバーを通過するため、バイパッシングが発生しません。すべての粒子は、各サイクルで同じ時間、同じ超音波パラメーターに暴露されるため、超音波処理では通常、分布曲線が広がるのではなく、狭くなったりずれたりします。超音波分散では、比較的対称的な粒度分布が得られます。一般的に、右テーリング – 粗い素材（右側の "テール"）へのシフトによる曲線の負のゆがみ。 – は超音波処理したサンプルでは観察できない。

制御された温度下での分散：プロセス冷却

温度に敏感な車輌のために、Hielscherはあらゆる実験室および産業機器用のジャケット付きフローセルリアクターを提供しています。リアクター内壁を冷却することにより、プロセス熱を効果的に放散することができます。

下の画像は、UVインク中に超音波プローブUIP1000hdTで分散させたカーボンブラック顔料です。

超音波分散は、UVインク中のカーボンブラック顔料の効果的な粒子径の縮小と均一な分布を保証します。

インクジェットインクの分散と脱凝集をあらゆるスケールで

Hielscher社は、あらゆる容量のインキを処理するための超音波分散装置を製造しています。超音波ラボ用ホモジナイザーは、1.5mLから約2Lの容量で使用され、インク配合のR+D段階や品質テストに最適です。さらに、ラボでのフィージビリティ・テストにより、商業生産に必要な装置サイズを正確に選択することができます。
工業用超音波分散機は、0.5Lから約2000Lまでのバッチ、または毎時0.1Lから20m³までの流量の生産に使用されます。他の分散技術や粉砕技術とは異なり、超音波分散は全ての重要なプロセスパラメーターをリニアにスケールアップできるため、簡単にスケールアップすることができます。

下の表は、処理するバッチ量または流量に応じた、一般的な超音波処理機の推奨事項を示している。

 
超音波分散機の仕組み – 音響キャビテーションの原理
超音波キャビテーションは、高周波の音波を使って液体中に小さな気泡を発生させるプロセスである。気泡が高圧にさらされると、気泡は崩壊（内破）し、爆発的なエネルギーを放出する。このエネルギーは、液体中の粒子を分散させ、より小さなサイズに分解するために使用することができる。
超音波キャビテーションでは、一般的にプローブまたはホーンに取り付けられた超音波トランスデューサによって音波が発生する。トランスデューサは、電気エネルギーを音波の形で機械エネルギーに変換し、プローブまたはホーンを介して液中に送信されます。音波が液体に到達すると高圧波が発生し、気泡を破裂させる。
エマルションの製造、顔料やフィラーの分散、粒子の脱凝集など、分散プロセスにおける超音波キャビテーションの応用にはいくつかの可能性がある。超音波キャビテーションは、高いせん断力とエネルギー入力を発生させることができるため、粒子を分散させる効果的な方法となり得ます。また、温度や圧力などの重要なプロセスパラメータを正確に制御できるため、アプリケーションの特定のニーズに合わせてプロセスを調整することが可能になります。このような精密なプロセス制御は、高品質な製品を信頼性と再現性高く製造でき、粒子や液体の望ましくない劣化を避けることができるため、超音波処理の顕著な利点のひとつです。

頑丈で掃除が簡単

超音波リアクターはリアクター容器と超音波ソノトロードで構成される。ソノトロードは摩耗しやすい唯一の部品であり、数分で簡単に交換できます。オシレーションデカップリングフランジにより、ソノトロードを開閉可能な加圧容器やフローセルに任意の向きで取り付けることができます。ベアリングは不要です。フローセルリアクターは一般的にステンレス製で、シンプルな形状をしており、簡単に分解して拭き取ることができます。小さなオリフィスや隠れたコーナーもない。

超音波洗浄機の設置

分散用途に使用される超音波強度は、一般的な超音波洗浄よりもはるかに高い。そのため、超音波キャビテーションがソノトロードやフローセル壁から粒子や残留液体を除去するため、超音波出力はフラッシングやリンス時の洗浄を補助するために使用することができます。