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

Nano-gedispergeerde inkjetinkten

Ultrasoon geluid is zeer doeltreffend bij de verkleining van deeltjes van 500µm tot ongeveer 10nm.
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 ultrasoonapparaten van het sonde-type veel gebruikt bij de vervaardiging van inkjetinkten die nanodeeltjes bevatten, speciale inkten (bv. geleidende inkten, 3D-printbare inkten, tatoeage-inkten) en verven.
 

De onderstaande grafieken tonen een voorbeeld van niet-gesoneerde versus 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 verdeling 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 zij hebben unieke eigenschappen die inkjetinkt op verschillende manieren kunnen verbeteren.

• In de eerste plaats kunnen nanodeeltjes het kleurengamma van inkjetinkt verbeteren, dat verwijst naar het kleurengamma dat kan worden geproduceerd. Wanneer nanodeeltjes uniform worden verspreid met een ultrasoonapparaat van het sonde-type, vertoont de inkt daardoor levendigere en meer verzadigde kleuren. Dat 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 vervaging, water en vegen verhogen. Dit komt doordat nanodeeltjes zich sterker kunnen hechten aan het papier of een ander substraat, waardoor een duurzamer en langduriger beeld ontstaat. Bovendien kunnen nanodeeltjes voorkomen dat de inkt in het papier uitloopt, wat vlekken kan veroorzaken en de scherpte van het afgedrukte beeld kan verminderen.
• Ten slotte kunnen ultrasoon gedispergeerde nanodeeltjes ook de printkwaliteit en resolutie van inkjetinkt verbeteren. Ultrasone dispersoren zijn uitzonderlijk efficiënt bij het malen en mengen van nanodeeltjes in vloeistoffen. Door kleinere deeltjes te gebruiken, kan de inkt fijnere en nauwkeurigere lijnen creëren, wat resulteert in scherpere en duidelijkere beelden. Dit is bijzonder belangrijk bij toepassingen zoals fotodruk van hoge kwaliteit en kunstdruk.

Controle over procesparameters en dispersieresultaten

De deeltjesgrootte en de deeltjesgrootteverdeling van inktpigmenten beïnvloeden vele producteigenschappen, zoals kleurkracht of afdrukkwaliteit. Als het gaat om inkjetprinten kan een kleine hoeveelheid grotere deeltjes leiden tot dispersie-instabiliteit, bezinking of inkjet nozzle-uitval. Om deze reden is het belangrijk dat de kwaliteit van de inkjetinkt een goede controle heeft over het proces voor het verkleinen van de grootte dat bij de productie wordt gebruikt.

Inline-verwerking van nanodispersies voor inkjetinkten

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

Dispersie onder gecontroleerde temperaturen: Proceskoeling

Voor temperatuurgevoelige voertuigen, Hielscher biedt mantel stroom cel reactoren voor alle laboratorium-en industriële apparaten. Door koeling van het inwendige reactorwanden kan proceswarmte effectief worden afgevoerd.

De beelden hieronder tonen het 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 carbon black-pigmenten in UV-inkt.

Dispergeren en deagglomereren van inkjetinkten op elke schaal

Hielscher maakt ultrasone dispergeerapparatuur voor de verwerking van inkten bij elk volume. Ultrasone labhomogenisatoren worden gebruikt voor volumes van 1,5mL tot ca. 2L en zijn ideaal voor de R+D-fase van inktformuleringen en voor kwaliteitstests. Bovendien maken haalbaarheidstests in het laboratorium het mogelijk de vereiste apparatuurgrootte voor commerciële productie nauwkeurig te selecteren.
Industriële ultrasone dispersoren worden gebruikt bij de productie van batches van 0,5 tot ca. 2000 liter of debieten van 0,1 liter tot 20m³ per uur. Anders dan andere dispergeer- en maaltechnologieën kan ultrasoontechniek gemakkelijk worden opgeschaald, aangezien alle belangrijke procesparameters lineair kunnen worden geschaald.

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

 
Hoe werken Ultrasone Dispersers? – Het werkingsprincipe van de akoestische cavitatie
Ultrasone cavitatie is een proces waarbij geluidsgolven met een hoge frequentie worden gebruikt om kleine gasbelletjes in een vloeistof te genereren. Wanneer de belletjes onder hoge druk komen te staan, kunnen zij instorten of imploderen, waarbij een energie-uitbarsting vrijkomt. Deze energie kan worden gebruikt om deeltjes in de vloeistof te verspreiden, waardoor ze in kleinere afmetingen uiteenvallen.
Bij ultrasone cavitatie worden de geluidsgolven opgewekt door een ultrasone omvormer, die gewoonlijk 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 doeltreffende 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 proces kan worden afgestemd op de specifieke behoeften van de toepassing. Deze nauwkeurige procesbeheersing 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 te reinigen

Een ultrasone reactor bestaat uit het reactorvat en de ultrasone sonotrode. Dit is het enige onderdeel dat aan slijtage onderhevig is en dat gemakkelijk binnen enkele minuten kan worden vervangen. Oscillatie-ontkoppelingsflenzen maken het mogelijk de sonotrode in elke richting in open of gesloten drukbare containers of flowcellen te monteren. Er zijn geen lagers nodig. Doorstroomcelreactoren zijn in 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 voor dispersietoepassingen gebruikte ultrasone intensiteit is veel hoger dan voor typische ultrasone reiniging. Daarom kan de ultrasone kracht worden gebruikt om de reiniging tijdens het spoelen te ondersteunen, aangezien de ultrasone cavitatie deeltjes en vloeistofresten van de sonotrode en van de wanden van de doorstroomcel verwijdert.