Redução ultrassónica do tamanho das partículas de tinta (p. ex., para impressão a jato de tinta)

A cavitação ultrassónica é um meio eficaz para a dispersão e micromoagem (moagem por via húmida) de pigmentos de tinta. Os dispersores ultrassónicos são utilizados com sucesso tanto na investigação como no fabrico industrial de tintas para impressão a jato de tinta UV, à base de água ou de solventes.

Tintas nanodispersas para impressão a jato de tinta

Os ultrassons são muito eficazes na redução do tamanho de partículas na gama de 500µm até aprox. 10nm.
Quando a sonicação é utilizada para dispersar nanopartículas em tinta para impressão a jato de tinta, a gama cromática, a durabilidade e a qualidade de impressão da tinta podem ser substancialmente melhoradas. Por isso, os sonicadores de sonda são amplamente utilizados no fabrico de tintas para impressão a jato de tinta que contêm nanopartículas, tintas especiais (p. ex., tintas condutoras, tintas para impressão 3D, tintas para tatuagem) e tintas de pintura.
 

Os gráficos abaixo apresentam um exemplo de pigmentos pretos em tinta para impressão a jato de tinta sem sonicação e dispersos por ultrassons. O tratamento ultrassónico foi realizado com a sonda ultrassónica UIP1000hdT. O resultado do tratamento ultrassónico é um tamanho de partícula visivelmente menor e uma distribuição de tamanhos de partículas muito estreita.

A dispersão ultrassónica resulta em pigmentos de tinta significativamente mais pequenos e mais uniformes. (gráfico verde: antes da sonicação – gráfico vermelho: após a sonicação)

Como melhora a dispersão ultrassónica a qualidade da tinta para impressão a jato de tinta?

Os sonicadores de alta intensidade são altamente eficientes na dispersão, na redução do tamanho e na distribuição uniforme de nanopartículas.
Isto significa que dispersar nanopartículas com ultrassons em tinta para impressão a jato de tinta pode melhorar o seu desempenho e a sua durabilidade. As nanopartículas são partículas muito pequenas, com tamanhos na gama de 1 a 100 nanómetros, e têm propriedades únicas que podem melhorar a tinta para impressão a jato de tinta de várias formas.

• Em primeiro lugar, as nanopartículas podem melhorar a gama cromática da tinta para impressão a jato de tinta, que corresponde à gama de cores que podem ser produzidas. Quando as nanopartículas são dispersas uniformemente com um sonicador de sonda, a tinta apresenta, consequentemente, cores mais vivas e saturadas. Isto deve-se ao facto de as nanopartículas poderem dispersar e refletir a luz de formas que os corantes e pigmentos tradicionais não conseguem, melhorando a reprodução das cores.
• Em segundo lugar, as nanopartículas dispersas homogeneamente podem aumentar a resistência da tinta para impressão a jato de tinta ao desvanecimento, à água e à formação de manchas. Isto deve-se ao facto de as nanopartículas poderem ligar-se mais fortemente ao papel ou a outro substrato, criando uma imagem mais resistente e duradoura. Além disso, as nanopartículas podem impedir que a tinta se espalhe pelo papel, o que pode causar manchas e reduzir a nitidez da imagem impressa.
• Por último, as nanopartículas dispersas por ultrassons também podem melhorar a qualidade e a resolução da impressão com tinta para impressão a jato de tinta. Os dispersores ultrassónicos são excecionalmente eficientes na moagem e mistura de nanopartículas em líquidos. Ao utilizar partículas mais pequenas, a tinta pode criar linhas mais finas e precisas, resultando em imagens mais nítidas e claras. Isto é particularmente importante em aplicações como a impressão fotográfica de alta qualidade e a impressão de belas-artes.

Controlo dos parâmetros do processo e dos resultados da dispersão

O tamanho das partículas e a distribuição de tamanhos de partículas dos pigmentos de tinta afetam muitas características do produto, como o poder tintorial ou a qualidade de impressão. Na impressão a jato de tinta, uma pequena quantidade de partículas maiores pode provocar instabilidade da dispersão, sedimentação ou falha dos bicos de impressão. Por este motivo, para a qualidade da tinta para impressão a jato de tinta, é importante ter um bom controlo do processo de redução do tamanho das partículas utilizado na produção.

Processamento em linha de nanodispersões para tintas para impressão a jato de tinta

Os reatores ultrassónicos Hielscher são habitualmente utilizados em linha. A tinta para impressão a jato de tinta é bombeada para o recipiente do reator. Aí, é exposta à cavitação ultrassónica com uma intensidade controlada. O tempo de exposição resulta do volume do reator e do caudal de alimentação do material. A sonicação em linha elimina a passagem por vias alternativas, porque todas as partículas atravessam a câmara do reator seguindo um percurso definido. Como todas as partículas são expostas a parâmetros de sonicação idênticos durante o mesmo tempo em cada ciclo, a sonicação normalmente estreita e desloca a curva de distribuição, em vez de a alargar. A dispersão ultrassónica produz distribuições de tamanhos de partículas relativamente simétricas. Geralmente, o prolongamento da cauda à direita – uma assimetria negativa da curva causada por um desvio para os materiais mais grosseiros («cauda» à direita) – não pode ser observado em amostras sonicadas.

Dispersão a temperaturas controladas: arrefecimento do processo

Para veículos sensíveis à temperatura, a Hielscher disponibiliza reatores de célula de fluxo com camisa para todos os dispositivos laboratoriais e industriais. Ao arrefecer as paredes internas do reator, o calor do processo pode ser dissipado eficazmente.

As imagens abaixo mostram pigmento de negro de carbono disperso com a sonda ultrassónica UIP1000hdT em tinta UV.

A dispersão ultrassónica assegura uma redução eficaz do tamanho das partículas e uma distribuição uniforme dos pigmentos de negro de carbono em tinta UV.

Dispersão e desaglomeração de tintas para impressão a jato de tinta a qualquer escala

A Hielscher fabrica equipamentos de dispersão ultrassónica para o processamento de tintas em qualquer volume. Os homogeneizadores ultrassónicos de laboratório são utilizados para volumes de 1,5mL a aprox. 2L e são ideais para a fase de I+D das formulações de tinta, bem como para ensaios de qualidade. Além disso, os ensaios de viabilidade em laboratório permitem selecionar com precisão a dimensão do equipamento necessária para a produção comercial.
Os dispersores ultrassónicos industriais são utilizados na produção de lotes de 0,5 a aprox. 2000L ou com caudais de 0,1L a 20m³ por hora. Ao contrário de outras tecnologias de dispersão e moagem, a sonicação pode ser facilmente ampliada à escala de produção, uma vez que todos os parâmetros importantes do processo podem ser escalados linearmente.

A tabela abaixo apresenta recomendações gerais de sonicadores em função do volume do lote ou do caudal a processar.

 
Como funcionam os dispersores ultrassónicos? – O princípio de funcionamento da cavitação acústica
A cavitação ultrassónica é um processo que utiliza ondas sonoras de alta frequência para gerar pequenas bolhas de gás num líquido. Quando as bolhas são submetidas a uma pressão elevada, podem colapsar, ou implodir, libertando uma descarga de energia. Esta energia pode ser utilizada para dispersar partículas no líquido, fragmentando-as em partículas mais pequenas.
Na cavitação ultrassónica, as ondas sonoras são geradas por um transdutor ultrassónico, normalmente montado numa sonda ou num sonotrodo. O transdutor converte energia elétrica em energia mecânica sob a forma de ondas sonoras, que são depois transmitidas ao líquido através da sonda ou do sonotrodo. Quando as ondas sonoras atingem o líquido, criam ondas de alta pressão que podem provocar a implosão das bolhas de gás.
Existem várias aplicações potenciais da cavitação ultrassónica em processos de dispersão, incluindo a produção de emulsões, a dispersão de pigmentos e cargas e a desaglomeração de partículas. A cavitação ultrassónica pode ser uma forma eficaz de dispersar partículas, porque pode gerar forças de cisalhamento elevadas e um elevado aporte de energia, enquanto outros parâmetros importantes do processo, como a temperatura e a pressão, podem ser controlados com precisão, permitindo adaptar o processo às necessidades específicas da aplicação. Este controlo preciso do processo é uma das principais vantagens da sonicação, uma vez que permite produzir produtos de alta qualidade de forma fiável e reprodutível e evita qualquer degradação indesejada das partículas ou do líquido.

Robustos e fáceis de limpar

Um reator ultrassónico é constituído pelo recipiente do reator e pelo sonotrodo ultrassónico. Este é o único componente sujeito a desgaste e pode ser facilmente substituído em poucos minutos. As flanges de desacoplamento de oscilações permitem montar o sonotrodo em recipientes abertos ou fechados que podem ser pressurizados, ou em células de fluxo, em qualquer orientação. Não são necessários rolamentos. Os reatores de célula de fluxo são geralmente fabricados em aço inoxidável, têm geometrias simples e podem ser facilmente desmontados e limpos com um pano. Não existem pequenos orifícios nem cantos ocultos.

Limpeza ultrassónica no local

A intensidade ultrassónica utilizada em aplicações de dispersão é muito superior à utilizada na limpeza ultrassónica típica. Por isso, a potência ultrassónica pode ser utilizada para auxiliar a limpeza durante a lavagem por circulação de líquido e o enxaguamento, uma vez que a cavitação ultrassónica remove partículas e resíduos líquidos do sonotrodo e das paredes da célula de fluxo.