インクの超音波微粒化（インクジェット用など）

超音波キャビテーションは、インク顔料の分散および微粉砕（湿式粉砕）に有効な手段です。超音波分散機は、研究分野だけでなく、UVインク、水性インク、溶剤系インクなどのインクジェットインクの工業生産でも効果的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までの範囲で粒子を微粒化するのに非常に有効です。
超音波処理によってインクジェットインク中のナノ粒子を分散させると、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ます。そのため、プローブ型超音波処理装置は、ナノ粒子を含むインクジェットインク、特殊インク（導電性インク、3Dプリント用インク、タトゥーインクなど）、塗料の製造に広く使用されています。
 

以下のグラフは、インクジェットインク中の黒色顔料について、超音波処理を行っていない場合と超音波分散を行った場合を比較した例です。超音波処理には超音波プローブUIP1000hdTを使用しました。超音波処理の結果、粒径が目に見えて小さくなり、粒度分布が非常に狭くなりました。

超音波分散により、インク顔料は大幅に小さくなり、より均一になります。（緑色のグラフ：超音波処理前 – 赤色のグラフ：超音波処理後）

超音波分散はインクジェットインクの品質をどのように向上させるのでしょうか？

高強度の超音波処理装置は、ナノ粒子の分散、微粒化、均一な分布に非常に効率的です。
つまり、インクジェットインク中のナノ粒子を超音波で分散させることで、インクの性能と耐久性を向上させることができます。ナノ粒子は、粒径が1–100ナノメートルの非常に小さな粒子であり、インクジェットインクをさまざまな面で改善できる独自の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、すなわち再現できる色の範囲を広げることができます。プローブ型超音波処理装置でナノ粒子を均一に分散させると、その結果、インクはより鮮やかで彩度の高い色を示します。これは、ナノ粒子が従来の染料や顔料ではできない形で光を散乱・反射できるためであり、色再現性の向上につながります。
• 第二に、均一に分散したナノ粒子は、インクジェットインクの耐退色性、耐水性、こすれによる汚れへの耐性を高めることができます。これは、ナノ粒子が紙やその他の基材とより強く結合し、より耐久性が高く長持ちする画像を形成できるためです。さらに、ナノ粒子はインクが紙ににじむのを防ぐことができます。このにじみは汚れの原因となり、印刷画像の鮮明さを低下させることがあります。
• 最後に、超音波で分散させたナノ粒子は、インクジェットインクの印刷品質と解像度も向上させることができます。超音波分散機は、液体中のナノ粒子の粉砕と混合において極めて効率的です。より小さな粒子を使用することで、インクはより細く精密な線を形成でき、より鮮明で明瞭な画像が得られます。これは、高品質の写真印刷や美術作品の印刷などの用途で特に重要です。

プロセスパラメーターと分散結果の制御

インク顔料の粒径と粒度分布は、着色力や印刷品質など、多くの製品特性に影響します。インクジェット印刷では、大きな粒子が少量含まれているだけでも、分散の不安定化、沈降、インクジェットノズルの不具合につながることがあります。このため、インクジェットインクの品質を確保するには、製造で使用する微粒化プロセスを適切に制御することが重要です。

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の超音波リアクターは、一般にインラインで使用されます。インクジェットインクはポンプでリアクター容器に送られます。そこで、制御された強度の超音波キャビテーションにさらされます。曝露時間は、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、すべての粒子が定められた経路に沿ってリアクターチャンバーを通過するため、バイパスがなくなります。各サイクルですべての粒子が同じ時間、同一の超音波処理パラメーターにさらされるため、超音波処理は通常、分布曲線を広げるのではなく、狭めて移動させます。超音波分散によって、比較的対称的な粒度分布が得られます。一般に、右側のテーリング – 粗粒側への移動によって生じる曲線の負の歪み（右側の「裾」） – は、超音波処理したサンプルでは観察されません。

温度を制御した分散：プロセス冷却

温度に敏感なビヒクルに対応するため、Hielscherは、すべての実験室用装置および産業用装置向けに、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。リアクターの内壁を冷却することで、プロセスで発生する熱を効果的に除去できます。

以下の画像は、超音波プローブUIP1000hdTを使用してUVインク中に分散させたカーボンブラック顔料を示しています。

超音波分散により、UVインク中のカーボンブラック顔料を効果的に微粒化し、均一に分布させることができます。

あらゆる規模でのインクジェットインクの分散と解凝集

Hielscherは、あらゆる量のインクを処理するための超音波分散装置を製造しています。実験室用超音波ホモジナイザーは、1.5mLから約2Lまでの量に使用され、インク処方のR+D段階や品質試験に最適です。さらに、実験室での実現可能性試験により、商業生産に必要な装置サイズを正確に選定できます。
産業用超音波分散機は、0.5から約2000Lまでのバッチ、または毎時0.1L–20m³の流量での生産に使用されます。他の分散・粉砕技術とは異なり、超音波処理では重要なプロセスパラメーターをすべて線形に拡大できるため、容易にスケールアップできます。

以下の表は、処理するバッチ容量または流量に応じた、超音波処理装置の一般的な推奨を示しています。

 
超音波分散機はどのように機能するのでしょうか？ – 音響キャビテーションの動作原理
超音波キャビテーションは、高周波の音波を使用して液体中に小さな気泡を生成するプロセスです。気泡に高い圧力が加わると、気泡が崩壊、すなわち内破し、エネルギーが一気に放出されることがあります。このエネルギーを利用して液体中の粒子を分散させ、より小さく砕くことができます。
超音波キャビテーションでは、通常プローブまたはホーンに取り付けられた超音波振動子によって音波が生成されます。振動子は電気エネルギーを音波という形の機械エネルギーに変換し、その音波がプローブまたはホーンを介して液体に伝わります。音波が液体に達すると、高圧の波が生じ、気泡の内破を引き起こすことがあります。
分散プロセスにおける超音波キャビテーションの潜在的な用途には、エマルションの製造、顔料や充填材の分散、粒子の解凝集などがあります。超音波キャビテーションは、高いせん断力とエネルギー投入を生み出せるうえ、温度や圧力などの他の重要なプロセスパラメーターも精密に制御できるため、粒子を分散させる有効な方法となり得ます。これにより、用途に固有の要件に合わせてプロセスを調整できます。この精密なプロセス制御は、超音波処理の際立った利点の一つです。高品質の製品を確実かつ再現性よく製造でき、粒子や液体の望ましくない劣化を回避できるためです。

堅牢で洗浄が容易

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ています。摩耗する部品はソノトロードだけであり、数分で簡単に交換できます。振動を分離するフランジにより、ソノトロードを開放容器、加圧可能な密閉容器、またはフローセルに、任意の向きで取り付けることができます。軸受は不要です。フローセルリアクターは一般にステンレス鋼製で、形状が単純なため、容易に分解して内部を拭き取ることができます。小さな開口部や隠れた隅はありません。

超音波による定置洗浄

分散用途で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くなります。そのため、フラッシングやすすぎの際に、超音波出力を洗浄の補助に利用できます。超音波キャビテーションが、ソノトロードやフローセルの壁面から粒子と液体の残留物を除去するためです。