초음파를 이용한 잉크 입자 크기 감소(예: 잉크젯용)

초음파 캐비테이션은 잉크 안료의 분산 및 미세 분쇄(습식 밀링)에 효과적인 수단입니다. 초음파 분산기는 연구뿐 아니라 UV 기반, 수성 또는 용제 기반 잉크젯 잉크의 산업적 제조에도 성공적으로 사용되고 있습니다.

나노분산 잉크젯 잉크

초음파는 500µm에서 약 10nm까지의 범위에서 입자 크기를 줄이는 데 매우 효과적입니다.
초음파 처리를 사용하여 잉크젯 잉크에 나노입자를 분산하면 잉크의 색 재현 범위, 내구성 및 인쇄 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다. 따라서 프로브형 초음파 처리기는 나노입자가 함유된 잉크젯 잉크, 특수 잉크(예: 전도성 잉크, 3D 프린팅용 잉크, 문신용 잉크) 및 도료 제조에 널리 사용됩니다.
 

아래 그래프는 잉크젯 잉크에 포함된 흑색 안료의 초음파 미처리 상태와 초음파 분산 후 상태를 비교한 예를 보여줍니다. 초음파 처리는 초음파 프로브 UIP1000hdT로 수행했습니다. 초음파 처리 결과, 입자 크기가 눈에 띄게 작아지고 입도 분포가 매우 좁아졌습니다.

초음파 분산으로 잉크 안료 입자가 훨씬 작아지고 더 균일해집니다. (녹색 그래프: 초음파 처리 전 – 빨간색 그래프: 초음파 처리 후)

초음파 분산은 잉크젯 잉크 품질을 어떻게 향상시킬까요?

고강도 초음파 처리기는 나노입자의 분산, 크기 감소 및 균일한 분포에 매우 효율적입니다.
이는 초음파로 잉크젯 잉크에 나노입자를 분산하면 잉크의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있음을 의미합니다. 나노입자는 크기가 1~100나노미터 범위인 매우 작은 입자로, 잉크젯 잉크를 여러 측면에서 개선할 수 있는 고유한 특성을 지닙니다.

• 첫째, 나노입자는 잉크젯 잉크의 색 재현 범위, 즉 구현할 수 있는 색상의 범위를 넓힐 수 있습니다. 프로브형 초음파 처리기로 나노입자를 균일하게 분산하면 잉크는 그 결과 더욱 선명하고 채도가 높은 색상을 나타냅니다. 이는 나노입자가 기존 염료와 안료로는 불가능한 방식으로 빛을 산란시키고 반사할 수 있어 색 재현성이 향상되기 때문입니다.
• 둘째, 균질하게 분산된 나노입자는 잉크젯 잉크의 변색, 물 및 번짐에 대한 저항성을 높일 수 있습니다. 이는 나노입자가 종이나 기타 기재에 더 강하게 결합하여 내구성이 더 높고 더 오래 지속되는 이미지를 만들 수 있기 때문입니다. 또한 나노입자는 잉크가 종이로 스며져 번지는 것을 방지할 수 있습니다. 이러한 번짐은 얼룩을 유발하고 인쇄 이미지의 선명도를 떨어뜨릴 수 있습니다.
• 마지막으로, 초음파로 분산된 나노입자는 잉크젯 잉크의 인쇄 품질과 해상도도 향상시킬 수 있습니다. 초음파 분산기는 액체 내 나노입자의 분쇄와 혼합에 매우 뛰어난 효율을 보입니다. 더 작은 입자를 사용하면 잉크로 더 가늘고 정밀한 선을 구현할 수 있어 더욱 선명하고 또렷한 이미지를 얻을 수 있습니다. 이는 고품질 사진 인쇄 및 미술 작품 인쇄와 같은 용도에서 특히 중요합니다.

공정 매개변수 및 분산 결과 제어

잉크 안료의 입자 크기와 입도 분포는 착색력이나 인쇄 품질 등 다양한 제품 특성에 영향을 미칩니다. 잉크젯 인쇄에서는 소량의 큰 입자만으로도 분산 불안정, 침강 또는 잉크젯 노즐 고장이 발생할 수 있습니다. 따라서 생산에 사용되는 입자 크기 감소 공정을 적절히 제어하는 것이 잉크젯 잉크 품질에 중요합니다.

잉크젯 잉크용 나노분산액의 인라인 처리

Hielscher 초음파 반응기는 일반적으로 인라인 방식으로 사용됩니다. 잉크젯 잉크는 펌프를 통해 반응 용기로 공급됩니다. 용기 안에서 잉크는 제어된 강도의 초음파 캐비테이션에 노출됩니다. 노출 시간은 반응기 용적과 재료 공급 속도에 따라 결정됩니다. 인라인 초음파 처리는 모든 입자가 정해진 경로를 따라 반응기 챔버를 통과하므로 우회를 방지합니다. 모든 입자가 각 사이클에서 동일한 시간 동안 동일한 초음파 처리 조건에 노출되므로, 초음파 처리는 일반적으로 분포 곡선을 넓히기보다는 좁히고 이동시킵니다. 초음파 분산은 비교적 대칭적인 입도 분포를 생성합니다. 일반적으로 초음파 처리된 시료에서는 오른쪽 꼬리 현상 – 조대 입자 쪽으로의 이동으로 인해 발생하는 곡선의 음의 왜도(오른쪽의 “꼬리”) – 이 관찰되지 않습니다.

제어된 온도에서의 분산: 공정 냉각

온도에 민감한 전색제를 위해 Hielscher는 모든 실험실용 및 산업용 장치에 사용할 수 있는 재킷형 플로우 셀 반응기를 제공합니다. 반응기 내벽을 냉각하면 공정 열을 효과적으로 방출할 수 있습니다.

아래 이미지는 초음파 프로브 UIP1000hdT를 사용하여 UV 잉크에 분산시킨 카본 블랙 안료를 보여줍니다.

초음파 분산은 UV 잉크 내 카본 블랙 안료의 효과적인 입도 감소와 균일한 분포를 보장합니다.

모든 규모에서의 잉크젯 잉크 분산 및 응집 해체

Hielscher는 모든 용량의 잉크를 처리할 수 있는 초음파 분산 장비를 제조합니다. 실험실용 초음파 균질기는 1.5mL에서 약 2L까지의 용량에 사용되며, 잉크 배합의 연구 개발(R+D) 단계와 품질 시험에 이상적입니다. 또한 실험실에서의 타당성 시험을 통해 상업 생산에 필요한 장비 규모를 정확하게 선정할 수 있습니다.
산업용 초음파 분산기는 0.5에서 약 2000L까지의 배치 또는 시간당 0.1L에서 20m³까지의 유량으로 생산하는 데 사용됩니다. 다른 분산 및 분쇄 기술과 달리 초음파 처리는 모든 주요 공정 매개변수를 선형적으로 확장할 수 있으므로 쉽게 규모를 확대할 수 있습니다.

아래 표는 처리할 배치 용량 또는 유량에 따른 일반적인 초음파 처리기 권장 사항을 보여줍니다.

 
초음파 분산기는 어떻게 작동할까요? – 음향 캐비테이션의 작동 원리
초음파 캐비테이션은 고주파 음파를 사용하여 액체 안에 작은 기체 기포를 생성하는 과정입니다. 기포가 높은 압력을 받으면 붕괴하거나 내파하면서 에너지를 순간적으로 방출할 수 있습니다. 이 에너지는 액체 내 입자를 더 작은 크기로 부수어 분산시키는 데 사용할 수 있습니다.
초음파 캐비테이션에서는 일반적으로 프로브 또는 혼에 장착된 초음파 변환기가 음파를 생성합니다. 변환기는 전기 에너지를 음파 형태의 기계 에너지로 변환하며, 이 음파는 프로브 또는 혼을 통해 액체로 전달됩니다. 음파가 액체에 도달하면 기체 기포의 내파를 유발할 수 있는 고압 파동을 생성합니다.
분산 공정에서 초음파 캐비테이션을 활용할 수 있는 분야로는 에멀션 생성, 안료 및 충전제 분산, 입자의 응집 해체 등이 있습니다. 초음파 캐비테이션은 높은 전단력과 에너지 투입을 발생시킬 수 있고 온도와 압력 같은 다른 주요 공정 매개변수도 정밀하게 제어할 수 있으므로, 입자를 분산시키는 효과적인 방법이 될 수 있으며 용도의 구체적인 요구에 맞게 공정을 조정할 수 있습니다. 이러한 정밀한 공정 제어는 초음파 처리의 두드러진 장점 중 하나입니다. 이를 통해 고품질 제품을 신뢰성 있고 재현성 있게 생산할 수 있으며 입자나 액체의 원치 않는 열화를 방지할 수 있습니다.

견고하고 세척이 용이함

초음파 반응기는 반응기 용기와 초음파 소노트로드로 구성됩니다. 소노트로드는 마모되는 유일한 부품이며 몇 분 이내에 쉽게 교체할 수 있습니다. 진동 분리 플랜지를 사용하면 개방형 또는 밀폐형 가압 가능 용기나 플로우 셀에 소노트로드를 어떤 방향으로든 장착할 수 있습니다. 베어링은 필요하지 않습니다. 플로우 셀 반응기는 일반적으로 스테인리스강으로 제작되고 구조가 단순하여 쉽게 분해하고 닦아낼 수 있습니다. 작은 구멍이나 숨겨진 모서리가 없습니다.

초음파 제자리 세척

분산 용도에 사용되는 초음파 강도는 일반적인 초음파 세척에 사용되는 강도보다 훨씬 높습니다. 따라서 플러싱과 헹굼 중에 초음파 출력을 활용하여 세척을 보조할 수 있습니다. 초음파 캐비테이션이 소노트로드와 플로우 셀 벽에서 입자와 액체 잔류물을 제거하기 때문입니다.