Kawitacja ultradźwiękowa jest skutecznym środkiem do dyspergowania i mikrorozdrabniania (mielenia na mokro) pigmentów atramentowych. Dyspergatory ultradźwiękowe są z powodzeniem stosowane w badaniach naukowych, jak również w produkcji przemysłowej atramentów UV, wodnych lub rozpuszczalnikowych.

Nanodyspersyjne tusze do drukarek atramentowych

Ultradźwięki są bardzo skuteczne w redukcji wielkości cząstek w zakresie od 500µm do ok. 10nm.
Gdy ultradźwięki są stosowane do rozpraszania nanocząstek w tuszu do drukarek atramentowych, gama kolorów tuszu, trwałość i jakość druku mogą być znacznie poprawione. Dlatego ultradźwięki typu sondowego są szeroko stosowane w produkcji zawierających nanocząsteczki atramentów do drukarek atramentowych, atramentów specjalistycznych (np. atramentów przewodzących, atramentów do drukowania 3D, atramentów do tatuaży) i farb.
 

Poniższe wykresy przedstawiają przykład dla niesonikowanych vs ultradźwiękowo zdyspergowanych czarnych pigmentów w tuszu atramentowym. Obróbka ultradźwiękowa została wykonana przy użyciu sondy ultradźwiękowej UIP1000hdT. Wynikiem obróbki ultradźwiękowej jest wyraźnie mniejszy rozmiar cząstek i bardzo wąski rozkład wielkości cząstek.

W wyniku dyspersji ultradźwiękowej uzyskuje się znacznie mniejsze i bardziej jednolite pigmenty atramentu. (zielony wykres: przed sonikacją – wykres czerwony: po sonikacji)

Jak dyspersja ultradźwiękowa poprawia jakość atramentu?

Ultradźwięki o wysokiej intensywności są wysoce skuteczne w dyspersji, redukcji rozmiaru i równomiernej dystrybucji nanocząstek.
Oznacza to, że rozpraszanie nanocząstek za pomocą ultradźwięków w tuszu atramentowym może poprawić jego wydajność i trwałość. Nanocząstki to bardzo małe cząstki o rozmiarach w zakresie od 1 do 100 nanometrów i mają one unikalne właściwości, które mogą poprawić atrament atramentowy na kilka sposobów.

• Po pierwsze, nanocząstki mogą poprawić gamę kolorów atramentu, która odnosi się do zakresu kolorów, które mogą być wytwarzane. Gdy nanocząstki są równomiernie rozproszone za pomocą ultradźwiękowego urządzenia typu sonda, atrament wykazuje w konsekwencji bardziej żywe i nasycone kolory. Dzieje się tak, ponieważ nanocząstki mogą rozpraszać i odbijać światło w sposób, w jaki nie mogą tego robić tradycyjne barwniki i pigmenty, co prowadzi do lepszego odwzorowania kolorów.
• Po drugie, homogenicznie rozproszone nanocząstki mogą zwiększyć odporność atramentu na blaknięcie, wodę i rozmazywanie. Dzieje się tak, ponieważ nanocząstki mogą silniej wiązać się z papierem lub innym podłożem, tworząc bardziej trwały i dłużej utrzymujący się obraz. Ponadto nanocząsteczki mogą zapobiegać krwawieniu atramentu na papier, co może powodować rozmazywanie i zmniejszać ostrość drukowanego obrazu.
• Wreszcie, zdyspergowane ultradźwiękowo nanocząstki mogą również poprawić jakość druku i rozdzielczość atramentu. Dyspensery ultradźwiękowe są wyjątkowo wydajne, jeśli chodzi o mielenie i mieszanie nanocząstek w cieczach. Dzięki zastosowaniu mniejszych cząstek, atrament może tworzyć drobniejsze i bardziej precyzyjne linie, co skutkuje ostrzejszymi i wyraźniejszymi obrazami. Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach takich jak wysokiej jakości druk fotograficzny i druk artystyczny.

Kontrola nad parametrami procesu i wynikami dyspersji

Rozmiar cząstek i rozkład wielkości cząstek pigmentów atramentowych mają wpływ na wiele charakterystyk produktu, takich jak zabarwienie lub jakość druku. Jeśli chodzi o druk atramentowy, niewielka ilość większych cząstek może prowadzić do niestabilności dyspersji, sedymentacji lub awarii dyszy do drukarek atramentowych. Z tego powodu ważne jest, aby jakość tuszu do drukarek atramentowych miała dobrą kontrolę nad procesem zmniejszania wielkości stosowanym w produkcji.

Przetwarzanie w linii nanodyspersji dla tuszy do drukarek atramentowych

Reaktory ultradźwiękowe firmy Hielscher są powszechnie stosowane w linii. Atrament jest pompowany do zbiornika reaktora. Tam jest poddawany działaniu kawitacji ultradźwiękowej o kontrolowanej intensywności. Czas ekspozycji jest wynikiem objętości reaktora i szybkości podawania materiału. Sonikacja w linii eliminuje obejścia, ponieważ wszystkie cząstki przechodzą przez komorę reaktora po określonej ścieżce. Ponieważ wszystkie cząstki są wystawione na działanie identycznych parametrów sonikacji przez ten sam czas podczas każdego cyklu, ultradźwięki zazwyczaj zawężają i przesuwają krzywą dystrybucji, zamiast ją poszerzać. Dyspersja ultradźwiękowa daje stosunkowo symetryczne rozkłady wielkości cząstek. Ogólnie rzecz biorąc, prawy ogon – ujemne nachylenie krzywej spowodowane przesunięciem w kierunku materiałów grubych ("ogon" po prawej stronie) – Nie obserwuje się na sonikowanych próbek.

Dyspersja w kontrolowanych temperaturach: Chłodzenie procesu

W przypadku pojazdów wrażliwych na temperaturę, Hielscher oferuje płaszczem reaktorów kuwety przepływowej dla wszystkich laboratoryjnych i urządzeń przemysłowych. Przez chłodzenie wewnętrzne ściany reaktora, ciepło procesu może być skutecznie rozpraszana.

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

Dyspersja ultradźwiękowa zapewnia skuteczną redukcję wielkości cząstek i równomierną dystrybucję pigmentów sadzy w tuszu UV.

Dyspergowanie i deaglomeracja atramentów w dowolnej skali

Firma Hielscher produkuje ultradźwiękowe urządzenia dyspergujące do przetwarzania atramentów o dowolnej objętości. Ultradźwiękowe homogenizatory laboratoryjne są stosowane dla objętości od 1,5mL do ok. 2L i są idealne dla etapu R+D receptur farb, jak również dla testów jakościowych. Ponadto, test wykonalności w laboratorium pozwala dokładnie dobrać wymaganą wielkość urządzenia do produkcji komercyjnej.
Przemysłowe dyspergatory ultradźwiękowe są stosowane w produkcji dla partii od 0,5 do ok. 2000L lub przepływów od 0,1L do 20m³ na godzinę. W przeciwieństwie do innych technologii dyspergowania i mielenia, ultradźwięki mogą być łatwo skalowane, ponieważ wszystkie ważne parametry procesu mogą być skalowane liniowo.

Poniższa tabela przedstawia ogólne zalecenia dotyczące ultradźwięków w zależności od objętości partii lub natężenia przepływu, który ma być przetwarzany.

 
Jak działają dyspensery ultradźwiękowe? – Zasada działania kawitacji akustycznej
Kawitacja ultradźwiękowa to proces wykorzystujący fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości do wytwarzania małych pęcherzyków gazu w cieczy. Gdy pęcherzyki poddane są wysokiemu ciśnieniu, mogą się zapaść lub implodować, uwalniając wybuch energii. Energia ta może być wykorzystana do rozproszenia cząstek w cieczy, rozbijając je na mniejsze rozmiary.
W kawitacji ultradźwiękowej fale dźwiękowe są generowane przez przetwornik ultradźwiękowy, który jest zwykle zamontowany na sondzie lub tubie. Przetwornik przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną w postaci fal dźwiękowych, które są następnie przekazywane do cieczy przez sondę lub tubę. Gdy fale dźwiękowe docierają do cieczy, tworzą fale wysokiego ciśnienia, które mogą spowodować implozję pęcherzyków gazu.
Istnieje kilka potencjalnych zastosowań kawitacji ultradźwiękowej w procesach dyspersyjnych, w tym w produkcji emulsji, dyspersji pigmentów i wypełniaczy oraz deaglomeracji cząstek. Kawitacja ultradźwiękowa może być skutecznym sposobem dyspergowania cząstek, ponieważ może generować duże siły ścinające i wkład energii, jak również inne ważne parametry procesu, takie jak temperatura i ciśnienie mogą być precyzyjnie kontrolowane, co umożliwia dostosowanie procesu do konkretnych potrzeb aplikacji. Ta precyzyjna kontrola procesu jest jedną z głównych zalet sonikacji, ponieważ produkty wysokiej jakości mogą być wytwarzane w sposób niezawodny i powtarzalny, a także unika się niepożądanej degradacji cząstek lub cieczy.

Solidne i łatwe do czyszczenia

Reaktor ultradźwiękowy składa się ze zbiornika reaktora i sonotrody ultradźwiękowej. Jest to jedyna część, która podlega zużyciu i może być łatwo wymieniona w ciągu kilku minut. Kołnierze odsprzęgające umożliwiają montaż sonotrody w otwartych lub zamkniętych pojemnikach ciśnieniowych lub komorach przepływowych w dowolnej orientacji. Nie są potrzebne żadne łożyska. Reaktory z komórkami przepływowymi są zazwyczaj wykonane ze stali nierdzewnej i mają prostą geometrię, można je łatwo zdemontować i wytrzeć. Nie ma małych kryz ani ukrytych zakamarków.

Ultradźwiękowa myjka w miejscu (CIP)

Natężenie ultradźwięków stosowane w aplikacjach dyspergujących jest znacznie wyższe niż w typowym czyszczeniu ultradźwiękowym. Dlatego moc ultradźwięków może być wykorzystana do wspomagania czyszczenia podczas płukania i spłukiwania, ponieważ kawitacja ultradźwiękowa usuwa cząstki i pozostałości cieczy z sonotrody i ze ścian komórki przepływowej.