Ultradźwiękowe zmniejszanie wielkości cząstek atramentu (np. do druku atramentowego)

Kawitacja ultradźwiękowa jest skuteczną metodą dyspergowania i mikrorozdrabniania (mielenia na mokro) pigmentów atramentowych. Dyspergatory ultradźwiękowe są z powodzeniem stosowane zarówno w badaniach, jak i w przemysłowej produkcji atramentów do druku atramentowego utwardzanych promieniowaniem UV, na bazie wody lub rozpuszczalników.

Atramenty do druku atramentowego z nanodyspersjami

Ultradźwięki są bardzo skuteczne w zmniejszaniu wielkości cząstek w zakresie od 500µm do około 10nm.
Zastosowanie sonikacji do dyspergowania nanocząstek w atramencie do druku atramentowego może znacznie poprawić jego gamut barwny, trwałość i jakość wydruku. Dlatego sonikatory z sondą są szeroko stosowane w produkcji atramentów do druku atramentowego zawierających nanocząstki, atramentów specjalistycznych (np. atramentów przewodzących, atramentów do druku 3D, tuszów do tatuażu) oraz farb.
 

Poniższe wykresy przedstawiają przykład porównania czarnych pigmentów w atramencie do druku atramentowego niepoddanych sonikacji i zdyspergowanych ultradźwiękowo. Obróbkę ultradźwiękową przeprowadzono przy użyciu sondy ultradźwiękowej UIP1000hdT. Jej rezultatem jest wyraźnie mniejsza wielkość cząstek i bardzo wąski rozkład wielkości cząstek.

Dyspergowanie ultradźwiękowe prowadzi do uzyskania znacznie mniejszych i bardziej jednorodnych cząstek pigmentów atramentowych. (zielony wykres: przed sonikacją – czerwony wykres: po sonikacji)

Jak dyspergowanie ultradźwiękowe poprawia jakość atramentu do druku atramentowego?

Sonikatory o wysokiej intensywności są wysoce wydajne w dyspergowaniu, zmniejszaniu wielkości i równomiernym rozmieszczaniu nanocząstek.
Oznacza to, że dyspergowanie nanocząstek za pomocą ultradźwięków w atramencie do druku atramentowego może poprawić jego właściwości użytkowe i trwałość. Nanocząstki to bardzo małe cząstki o wielkości w zakresie od 1 do 100 nanometrów, których wyjątkowe właściwości mogą na kilka sposobów poprawić właściwości atramentu do druku atramentowego.

• Po pierwsze, nanocząstki mogą poprawić gamut barwny atramentu do druku atramentowego, czyli zakres możliwych do uzyskania kolorów. Gdy nanocząstki są równomiernie dyspergowane za pomocą sonikatora z sondą, atrament zapewnia w rezultacie żywsze i bardziej nasycone kolory. Wynika to z faktu, że nanocząstki mogą rozpraszać i odbijać światło w sposób niedostępny dla tradycyjnych barwników i pigmentów, co prowadzi do lepszego odwzorowania kolorów.
• Po drugie, jednorodnie zdyspergowane nanocząstki mogą zwiększyć odporność atramentu do druku atramentowego na blaknięcie, wodę i rozmazywanie. Dzieje się tak dlatego, że nanocząstki mogą silniej wiązać się z papierem lub innym podłożem, tworząc trwalszy obraz, który dłużej zachowuje swoje właściwości. Ponadto nanocząstki mogą zapobiegać rozpływaniu się atramentu w papierze, które może powodować rozmazywanie i zmniejszać ostrość wydrukowanego obrazu.
• Wreszcie, nanocząstki zdyspergowane ultradźwiękowo mogą również poprawić jakość i rozdzielczość wydruków uzyskiwanych z atramentu do druku atramentowego. Dyspergatory ultradźwiękowe są wyjątkowo wydajne w mieleniu i mieszaniu nanocząstek w cieczach. Dzięki zastosowaniu mniejszych cząstek atrament umożliwia tworzenie cieńszych i bardziej precyzyjnych linii, co daje ostrzejsze i wyraźniejsze obrazy. Jest to szczególnie istotne w zastosowaniach takich jak drukowanie wysokiej jakości fotografii i wydruków artystycznych.

Kontrola parametrów procesu i wyników dyspergowania

Wielkość cząstek pigmentów atramentowych oraz rozkład ich wielkości wpływają na wiele cech produktu, takich jak siła barwiąca czy jakość druku. W druku atramentowym niewielka ilość większych cząstek może prowadzić do niestabilności dyspersji, sedymentacji lub awarii dyszy drukującej. Z tego powodu odpowiednia kontrola procesu zmniejszania wielkości cząstek stosowanego w produkcji ma istotne znaczenie dla jakości atramentu do druku atramentowego.

Przetwarzanie nanodyspersji do atramentów do druku atramentowego w linii

Reaktory ultradźwiękowe Hielscher są powszechnie stosowane w linii. Atrament do druku atramentowego jest pompowany do zbiornika reaktora. Tam poddawany jest kawitacji ultradźwiękowej o kontrolowanej intensywności. Czas ekspozycji wynika z objętości reaktora i natężenia podawania materiału. Sonikacja w linii eliminuje przepływ z ominięciem obszaru obróbki, ponieważ wszystkie cząstki przechodzą przez komorę reaktora po określonej drodze. Ponieważ wszystkie cząstki są poddawane identycznym parametrom sonikacji przez ten sam czas w każdym cyklu, sonikacja zazwyczaj zwęża i przesuwa krzywą rozkładu, zamiast ją poszerzać. Dyspergowanie ultradźwiękowe daje stosunkowo symetryczne rozkłady wielkości cząstek. Zasadniczo w próbkach poddanych sonikacji nie obserwuje się ogona po prawej stronie – ujemnej asymetrii krzywej spowodowanej przesunięciem w stronę materiałów o większych cząstkach („ogon” po prawej stronie).

Dyspergowanie w kontrolowanej temperaturze: chłodzenie procesu

W przypadku nośników wrażliwych na temperaturę Hielscher oferuje reaktory z komorą przepływową wyposażoną w płaszcz chłodzący do wszystkich urządzeń laboratoryjnych i przemysłowych. Dzięki chłodzeniu wewnętrznych ścian reaktora można skutecznie odprowadzać ciepło procesowe.

Poniższe zdjęcia przedstawiają pigment z sadzy zdyspergowany w atramencie UV za pomocą sondy ultradźwiękowej UIP1000hdT.

Dyspergowanie ultradźwiękowe zapewnia skuteczne zmniejszanie wielkości cząstek i równomierne rozmieszczenie pigmentów z sadzy w atramencie UV.

Dyspergowanie i deaglomeracja atramentów do druku atramentowego w dowolnej skali

Hielscher produkuje urządzenia do dyspergowania ultradźwiękowego przeznaczone do przetwarzania atramentów o dowolnej objętości. Laboratoryjne homogenizatory ultradźwiękowe stosuje się do objętości od 1,5mL do około 2L; idealnie nadają się one zarówno do etapu badań i rozwoju receptur atramentów, jak i do badań jakości. Ponadto laboratoryjne badania wykonalności pozwalają dokładnie dobrać wymaganą wielkość urządzeń do produkcji komercyjnej.
Przemysłowe dyspergatory ultradźwiękowe stosuje się w produkcji partii o objętości od 0,5 do około 2000L lub przy natężeniach przepływu od 0,1L do 20m³ na godzinę. W odróżnieniu od innych technologii dyspergowania i mielenia sonikację można łatwo przenosić do większej skali, ponieważ wszystkie istotne parametry procesu można skalować liniowo.

Poniższa tabela przedstawia ogólne zalecenia dotyczące doboru sonikatorów w zależności od objętości przetwarzanej partii lub natężenia przepływu.

 
Jak działają dyspergatory ultradźwiękowe? – Zasada działania kawitacji akustycznej
Kawitacja ultradźwiękowa to proces wykorzystujący fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości do wytwarzania małych pęcherzyków gazu w cieczy. Gdy pęcherzyki są poddawane wysokiemu ciśnieniu, mogą się zapadać, czyli implodować, gwałtownie uwalniając energię. Energia ta może być wykorzystywana do dyspergowania cząstek w cieczy i rozdrabniania ich do mniejszych rozmiarów.
W kawitacji ultradźwiękowej fale dźwiękowe są wytwarzane przez przetwornik ultradźwiękowy, który zazwyczaj jest zamontowany na sondzie lub sonotrodzie. Przetwornik zamienia energię elektryczną na energię mechaniczną w postaci fal dźwiękowych, które następnie są przekazywane do cieczy przez sondę lub sonotrodę. Gdy fale dźwiękowe docierają do cieczy, tworzą fale wysokiego ciśnienia, które mogą powodować implozję pęcherzyków gazu.
Kawitacja ultradźwiękowa ma kilka potencjalnych zastosowań w procesach dyspergowania, w tym wytwarzanie emulsji, dyspergowanie pigmentów i wypełniaczy oraz deaglomerację cząstek. Kawitacja ultradźwiękowa może być skuteczną metodą dyspergowania cząstek, ponieważ może wytwarzać duże siły ścinające i dostarczać dużą ilość energii, a inne istotne parametry procesu, takie jak temperatura i ciśnienie, można precyzyjnie kontrolować, co umożliwia dostosowanie procesu do konkretnych potrzeb danego zastosowania. Ta precyzyjna kontrola procesu jest jedną z istotnych zalet sonikacji, ponieważ pozwala niezawodnie i powtarzalnie wytwarzać produkty wysokiej jakości oraz unikać wszelkiej niepożądanej degradacji cząstek lub cieczy.

Wytrzymałe i łatwe do czyszczenia

Reaktor ultradźwiękowy składa się ze zbiornika reaktora i sonotrody ultradźwiękowej. Sonotroda jest jedyną częścią podlegającą zużyciu i można ją łatwo wymienić w ciągu kilku minut. Kołnierze odsprzęgające drgania umożliwiają montaż sonotrody w dowolnej orientacji w otwartych lub zamkniętych zbiornikach przystosowanych do pracy pod ciśnieniem albo w komorach przepływowych. Nie są potrzebne żadne łożyska. Reaktory z komorą przepływową są zazwyczaj wykonane ze stali nierdzewnej, mają prostą geometrię i można je łatwo rozmontować oraz wytrzeć. Nie ma w nich małych otworów ani ukrytych zakamarków.

Ultradźwiękowe czyszczenie na miejscu

Intensywność ultradźwięków stosowana do dyspergowania jest znacznie wyższa niż przy typowym czyszczeniu ultradźwiękowym. Dlatego moc ultradźwiękową można wykorzystać do wspomagania czyszczenia podczas przepłukiwania i płukania, ponieważ kawitacja ultradźwiękowa usuwa cząstki i pozostałości cieczy z sonotrody oraz ze ścian komory przepływowej.