Ultrasone verkleining van inkt (bijv. voor inkjet)

Ultrasone cavitatie is een effectief middel voor het dispergeren en microvermalen (nat malen) van inktpigmenten. Ultrasone dispergeerders worden met succes gebruikt in zowel onderzoek als industriële productie van UV-, water- of solventgebaseerde inkjetinkten.

Nano-gedispergeerde inkjetinkten

Ultrasoon geluid is zeer effectief in het verkleinen van deeltjes van 500 µm tot ongeveer 10 nm.
Wanneer ultrasone trillingen worden gebruikt om nanodeeltjes in inkjetinkt te dispergeren, kunnen het kleurengamma, de duurzaamheid en de printkwaliteit van de inkt aanzienlijk worden verbeterd. Daarom worden sonde-type ultrasone apparaten veel gebruikt bij de productie van inkjetinkten die nanodeeltjes bevatten, speciale inkten (bijv. geleidende inkten, 3D-printbare inkten, tatoeage-inkten) en verven.
 

De grafieken hieronder tonen een voorbeeld van niet-gesoneerde vs. ultrasoon gedispergeerde zwarte pigmenten in inkjetinkt. De ultrasone behandeling werd uitgevoerd met de ultrasone sonde UIP1000hdT. Het resultaat van de ultrasone behandeling is een zichtbaar kleinere deeltjesgrootte en een zeer smalle deeltjesgrootteverdeling.

Ultrasone dispersie resulteert in aanzienlijk kleinere en meer uniforme inktpigmenten. (groene grafiek: vóór sonicatie – rode grafiek: na sonicatie)

Hoe verbetert ultrasone dispersie de kwaliteit van inkjetinkt?

Ultrasone apparaten met hoge intensiteit zijn zeer efficiënt voor de dispersie, verkleining en uniforme distributie van nanodeeltjes.
Dit betekent dat het vermengen van nanodeeltjes met ultrasone trillingen in inkjetinkt de prestaties en duurzaamheid ervan kan verbeteren. Nanodeeltjes zijn zeer kleine deeltjes met afmetingen tussen 1 en 100 nanometer en ze hebben unieke eigenschappen die inkjetinkt op verschillende manieren kunnen verbeteren.

• Ten eerste kunnen nanodeeltjes het kleurengamma van inkjetinkt verbeteren, wat verwijst naar het kleurengamma dat kan worden geproduceerd. Wanneer nanodeeltjes gelijkmatig worden verspreid met een ultrasone sensor, vertoont de inkt daardoor levendigere en meer verzadigde kleuren. Dit komt doordat nanodeeltjes licht kunnen verstrooien en weerkaatsen op manieren die traditionele kleurstoffen en pigmenten niet kunnen, wat leidt tot een betere kleurweergave.
• Ten tweede kunnen homogeen verspreide nanodeeltjes de weerstand van inkjetinkt tegen vervagen, water en vlekken verhogen. Dit komt omdat nanodeeltjes zich sterker kunnen hechten aan het papier of een ander substraat, waardoor een duurzamer beeld ontstaat dat langer meegaat. Bovendien kunnen nanodeeltjes voorkomen dat de inkt in het papier uitloopt, wat vlekken kan veroorzaken en de scherpte van de afgedrukte afbeelding kan verminderen.
• Ten slotte kunnen ultrasoon gedispergeerde nanodeeltjes ook de afdrukkwaliteit en resolutie van inkjetinkt verbeteren. Ultrasone dispergeerders zijn uitzonderlijk efficiënt als het gaat om het malen en mengen van nanodeeltjes in vloeistoffen. Door kleinere deeltjes te gebruiken, kan de inkt fijnere en preciezere lijnen creëren, wat resulteert in scherpere en helderdere beelden. Dit is vooral belangrijk bij toepassingen zoals hoogwaardige fotoprints en fine art prints.

Controle over procesparameters en dispersieresultaten

De deeltjesgrootte en de deeltjesgrootteverdeling van inktpigmenten beïnvloeden veel producteigenschappen, zoals kleurkracht of printkwaliteit. Bij inkjetprinten kan een kleine hoeveelheid grotere deeltjes leiden tot instabiliteit van de dispersie, bezinking of defecten aan de inkjetverstuiver. Daarom is het voor de kwaliteit van inkjetinkt belangrijk om een goede controle te hebben over het verkleiningproces dat bij de productie wordt gebruikt.

Inline-verwerking van nanodispersies voor inkjetinkten

Hielscher ultrasone reactoren worden meestal inline gebruikt. De inkjetinkt wordt in het reactorvat gepompt. Daar wordt het blootgesteld aan ultrasone cavitatie met een gecontroleerde intensiteit. De blootstellingstijd is een resultaat van het reactorvolume en de materiaaltoevoersnelheid. Inline sonificatie elimineert by-passing omdat alle deeltjes de reactorkamer passeren volgens een gedefinieerd pad. Omdat alle deeltjes tijdens elke cyclus gedurende dezelfde tijd worden blootgesteld aan identieke sonicatieparameters, wordt de verdelingscurve door ultrasoonbehandeling eerder smaller en verschoven dan breder. Ultrasone dispersie produceert relatief symmetrische deeltjesgrootteverdelingen. Over het algemeen – een negatieve scheefheid van de curve veroorzaakt door een verschuiving naar de grove materialen ("staart" aan de rechterkant) – kan niet worden waargenomen bij gesoniseerde monsters.

Dispersie onder gecontroleerde temperaturen: Proceskoeling

Voor temperatuurgevoelige voertuigen biedt Hielscher doorstroomcelreactoren met een mantel voor alle laboratorium- en industriële apparaten. Door de interne reactorwanden te koelen, kan proceswarmte effectief worden afgevoerd.

De afbeeldingen hieronder tonen koolstofzwart pigment gedispergeerd met de ultrasone sonde UIP1000hdT in UV-inkt.

Ultrasone dispersie zorgt voor een doeltreffende verkleining van de deeltjesgrootte en een uniforme verdeling van carbonzwartpigmenten in UV-inkt.

Dispergeren en deagglomereren van inkjetinkten op elke schaal

Hielscher maakt ultrasone dispergeerapparatuur voor de verwerking van inkten met elk volume. Ultrasone labhomogenisatoren worden gebruikt voor volumes van 1,5mL tot ongeveer 2L en zijn ideaal voor de R+D-fase van inktformuleringen en voor kwaliteitstesten. Bovendien maken haalbaarheidstests in het laboratorium het mogelijk om de vereiste apparatuurgrootte voor commerciële productie nauwkeurig te selecteren.
Industriële ultrasone dispergeerders worden gebruikt in de productie voor batches van 0,5 tot ongeveer 2000 liter of debieten van 0,1 liter tot 20m³ per uur. In tegenstelling tot andere dispergeer- en maaltechnologieën kan ultrasoon dispergeren gemakkelijk worden opgeschaald omdat alle belangrijke procesparameters lineair kunnen worden geschaald.

De onderstaande tabel geeft algemene aanbevelingen voor ultrasone machines, afhankelijk van het batchvolume of debiet dat verwerkt moet worden.

 
Hoe werken ultrasone dispergeerders? – Het werkingsprincipe van akoestische cavitatie
Ultrasone cavitatie is een proces waarbij geluidsgolven met een hoge frequentie worden gebruikt om kleine gasbellen in een vloeistof te genereren. Wanneer de belletjes onder hoge druk komen te staan, kunnen ze instorten of imploderen, waarbij een uitbarsting van energie vrijkomt. Deze energie kan gebruikt worden om deeltjes in de vloeistof te verspreiden, waardoor ze in kleinere deeltjes uiteenvallen.
Bij ultrasone cavitatie worden de geluidsgolven opgewekt door een ultrasone transducer, die meestal op een sonde of hoorn is gemonteerd. De transducer zet elektrische energie om in mechanische energie in de vorm van geluidsgolven, die vervolgens via de sonde of hoorn in de vloeistof worden overgebracht. Wanneer de geluidsgolven de vloeistof bereiken, creëren ze hogedrukgolven die de gasbellen kunnen doen imploderen.
Er zijn verschillende potentiële toepassingen voor ultrasone cavitatie in dispersieprocessen, waaronder de productie van emulsies, de dispersie van pigmenten en vulstoffen en de deagglomeratie van deeltjes. Ultrasone cavitatie kan een effectieve manier zijn om deeltjes te dispergeren omdat het hoge schuifkrachten en energie-input kan genereren en andere belangrijke procesparameters zoals temperatuur en druk nauwkeurig kunnen worden geregeld, waardoor het mogelijk wordt om het proces af te stemmen op de specifieke behoeften van de toepassing. Deze nauwkeurige procesbesturing is een van de prominente voordelen van sonicatie, omdat producten van hoge kwaliteit betrouwbaar en reproduceerbaar kunnen worden geproduceerd en ongewenste degradatie van deeltjes of vloeistof wordt voorkomen.

Robuust en gemakkelijk schoon te maken

Een ultrasone reactor bestaat uit het reactorvat en de ultrasone sonotrode. Dit is het enige onderdeel dat aan slijtage onderhevig is en het kan eenvoudig binnen enkele minuten worden vervangen. Oscillatie-ontkoppelingsflenzen maken het mogelijk om de sonotrode in elke oriëntatie in open of gesloten drukrecipiënten of flowcellen te monteren. Er zijn geen lagers nodig. Doorstroomcelreactoren zijn over het algemeen gemaakt van roestvrij staal en hebben een eenvoudige geometrie. Er zijn geen kleine openingen of verborgen hoeken.

Ultrasone reiniger op zijn plaats

De ultrasone intensiteit die wordt gebruikt voor dispergeertoepassingen is veel hoger dan voor typische ultrasone reiniging. Daarom kan de ultrasone kracht worden gebruikt om de reiniging te ondersteunen tijdens het spoelen, aangezien de ultrasone cavitatie deeltjes en vloeistofresten van de sonotrode en van de wanden van de doorstroomcel verwijdert.