Ultrasone verkleining van inktdeeltjes (bijv. voor inkjet)

Ultrasone cavitatie is een effectief middel voor het dispergeren en micromalen (natmalen) van inktpigmenten. Ultrasone dispergeerapparaten worden met succes gebruikt in onderzoek en bij de industriële productie van UV-, water- of oplosmiddelgebaseerde inkjetinkten.

Inkjetinkten met nanodispersies

Ultrasoon geluid is zeer effectief voor het verkleinen van deeltjes in het bereik van 500µm tot ongeveer 10nm.
Wanneer ultrasone behandeling wordt gebruikt om nanodeeltjes in inkjetinkt te dispergeren, kunnen het kleurbereik, de duurzaamheid en de afdrukkwaliteit van de inkt aanzienlijk worden verbeterd. Daarom worden sonicators met een sonde veel gebruikt bij de productie van inkjetinkten met nanodeeltjes, speciale inkten (bijv. geleidende inkten, inkten voor 3D-printen, tatoeage-inkten) en verven.
 

De onderstaande grafieken tonen een voorbeeld van zwarte pigmenten in inkjetinkt die niet met sonicatie zijn behandeld tegenover pigmenten die ultrasoon zijn gedispergeerd. 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 uniformere inktpigmenten. (groene grafiek: vóór sonicatie – rode grafiek: na sonicatie)

Hoe verbetert ultrasone dispersie de kwaliteit van inkjetinkt?

Sonicators met een hoge intensiteit zijn zeer efficiënt voor het dispergeren, verkleinen en uniform verdelen van nanodeeltjes.
Dit betekent dat het ultrasoon dispergeren van nanodeeltjes in inkjetinkt de prestaties en duurzaamheid ervan kan verbeteren. Nanodeeltjes zijn zeer kleine deeltjes met afmetingen in het bereik van 1 tot 100 nanometer en hebben unieke eigenschappen die inkjetinkt op verschillende manieren kunnen verbeteren.

• Ten eerste kunnen nanodeeltjes het kleurbereik van inkjetinkt verbeteren. Dit is het bereik van kleuren dat kan worden geproduceerd. Wanneer nanodeeltjes met een sonicator met een sonde uniform worden gedispergeerd, vertoont de inkt daardoor levendigere en meer verzadigde kleuren. Dit komt doordat nanodeeltjes licht kunnen verstrooien en reflecteren op manieren waarop traditionele kleurstoffen en pigmenten dat niet kunnen, wat tot een betere kleurweergave leidt.
• Ten tweede kunnen homogeen gedispergeerde nanodeeltjes de bestendigheid van inkjetinkt tegen vervaging, water en vlekvorming verhogen. Dit komt doordat nanodeeltjes zich sterker aan het papier of een ander substraat kunnen binden, waardoor een duurzamere afbeelding ontstaat die langer meegaat. Bovendien kunnen nanodeeltjes voorkomen dat de inkt in het papier uitvloeit, wat vlekvorming kan veroorzaken en de scherpte van de afgedrukte afbeelding kan verminderen.
• Tot slot kunnen ultrasoon gedispergeerde nanodeeltjes ook de afdrukkwaliteit en resolutie van inkjetinkt verbeteren. Ultrasone dispergeerapparaten zijn uitzonderlijk efficiënt bij het malen en mengen van nanodeeltjes in vloeistoffen. Door kleinere deeltjes te gebruiken, kan de inkt fijnere en nauwkeurigere lijnen vormen, wat resulteert in scherpere en duidelijkere afbeeldingen. Dit is vooral belangrijk bij toepassingen zoals hoogwaardige fotoafdrukken en kunstafdrukken.

Controle over procesparameters en dispersieresultaten

De deeltjesgrootte en de deeltjesgrootteverdeling van inktpigmenten beïnvloeden veel producteigenschappen, zoals kleurkracht of afdrukkwaliteit. Bij inkjetprinten kan een kleine hoeveelheid grotere deeltjes leiden tot instabiliteit van de dispersie, sedimentatie of uitval van inkjetspuitmonden. Daarom is het voor de kwaliteit van inkjetinkt belangrijk om het deeltjesverkleiningsproces dat bij de productie wordt gebruikt goed te beheersen.

Inlineverwerking van nanodispersies voor inkjetinkten

Ultrasone reactoren van Hielscher worden doorgaans inline gebruikt. De inkjetinkt wordt in het reactorvat gepompt. Daar wordt deze bij een gecontroleerde intensiteit aan ultrasone cavitatie blootgesteld. De blootstellingsduur wordt bepaald door het reactorvolume en het materiaaltoevoerdebiet. Inline sonicatie voorkomt dat materiaal de behandeling omzeilt, omdat alle deeltjes langs een vastgelegde route door de reactorkamer gaan. Omdat alle deeltjes tijdens elke cyclus gedurende dezelfde tijd aan identieke sonicatieparameters worden blootgesteld, maakt ultrasone behandeling de verdelingscurve doorgaans smaller en verschuift deze, in plaats van deze te verbreden. Ultrasone dispersie levert relatief symmetrische deeltjesgrootteverdelingen op. Over het algemeen kan staartvorming naar rechts – een negatieve scheefheid van de curve veroorzaakt door een verschuiving naar de grove materialen (“staart” aan de rechterkant) – niet worden waargenomen bij monsters die met sonicatie zijn behandeld.

Dispersie bij gecontroleerde temperaturen: proceskoeling

Voor temperatuurgevoelige dragermedia biedt Hielscher doorstroomcelreactoren met een koelmantel voor alle laboratorium- en industriële apparaten. Door de binnenwanden van de reactor te koelen, kan proceswarmte effectief worden afgevoerd.

De onderstaande afbeeldingen tonen carbonblackpigment dat met de ultrasone sonde UIP1000hdT in UV-inkt is gedispergeerd.

Ultrasone dispersie zorgt voor een effectieve verkleining van de deeltjes en een uniforme verdeling van carbonblackpigmenten in UV-inkt.

Dispergeren en deagglomeratie van inkjetinkten op elke schaal

Hielscher produceert ultrasone dispergeerapparatuur voor het verwerken van inkten in elk volume. Ultrasone laboratoriumhomogenisatoren worden gebruikt voor volumes van 1,5mL tot ongeveer 2L en zijn ideaal voor de R+D-fase van inktformuleringen en voor kwaliteitstests. Bovendien maken haalbaarheidstests in het laboratorium het mogelijk om de benodigde apparatuurcapaciteit voor commerciële productie nauwkeurig te selecteren.
Industriële ultrasone dispergeerapparaten worden bij de productie gebruikt voor batches van 0,5 tot ongeveer 2000L of debieten van 0,1L tot 20m³ per uur. In tegenstelling tot andere dispergeer- en maaltechnologieën kan ultrasone behandeling eenvoudig worden opgeschaald, omdat alle belangrijke procesparameters lineair kunnen worden geschaald.

De onderstaande tabel geeft algemene aanbevelingen voor sonicators, afhankelijk van het te verwerken batchvolume of debiet.

 
Hoe werken ultrasone dispergeerapparaten? – Het werkingsprincipe van akoestische cavitatie
Ultrasone cavitatie is een proces waarbij hoogfrequente geluidsgolven worden gebruikt om kleine gasbellen in een vloeistof te vormen. Wanneer de bellen aan hoge druk worden blootgesteld, kunnen ze instorten of imploderen, waarbij plotseling energie vrijkomt. Deze energie kan worden gebruikt om deeltjes in de vloeistof te dispergeren en ze tot kleinere deeltjes te verkleinen.
Bij ultrasone cavitatie worden de geluidsgolven opgewekt door een ultrasone transducer, die doorgaans 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 laten imploderen.
Er zijn verschillende mogelijke toepassingen van ultrasone cavitatie in dispersieprocessen, waaronder de productie van emulsies, het dispergeren van pigmenten en vulstoffen en de deagglomeratie van deeltjes. Ultrasone cavitatie kan een effectieve manier zijn om deeltjes te dispergeren, omdat deze hoge afschuifkrachten en een hoge energie-inbreng kan genereren en andere belangrijke procesparameters, zoals temperatuur en druk, nauwkeurig kunnen worden geregeld. Daardoor kan het proces op de specifieke behoeften van de toepassing worden afgestemd. Deze nauwkeurige procesbeheersing is een van de belangrijke voordelen van sonicatie, omdat hoogwaardige producten betrouwbaar en reproduceerbaar kunnen worden geproduceerd en elke ongewenste degradatie van deeltjes of vloeistof wordt voorkomen.

Robuust en eenvoudig te reinigen

Een ultrasone reactor bestaat uit het reactorvat en de ultrasone sonotrode. Deze sonotrode is het enige onderdeel dat aan slijtage onderhevig is en kan eenvoudig binnen enkele minuten worden vervangen. Trillingsontkoppelende flenzen maken het mogelijk om de sonotrode in elke stand te monteren in open of gesloten houders die onder druk kunnen worden gezet, of in doorstroomcellen. Er zijn geen lagers nodig. Doorstroomcelreactoren zijn doorgaans gemaakt van roestvrij staal, hebben eenvoudige geometrieën en kunnen gemakkelijk worden gedemonteerd en van binnen worden schoongeveegd. Er zijn geen kleine openingen of verborgen hoeken.

Ultrasone reiniging ter plaatse

De ultrasone intensiteit die voor dispergeertoepassingen wordt gebruikt, is veel hoger dan bij gebruikelijke ultrasone reiniging. Daarom kan het ultrasone vermogen worden gebruikt om de reiniging tijdens het door- en naspoelen te ondersteunen, omdat ultrasone cavitatie deeltjes en vloeistofresten van de sonotrode en de wanden van de doorstroomcel verwijdert.