Reducerea cu ultrasunete a dimensiunii particulelor de cerneală (de ex. pentru inkjet)

Cavitația ultrasonică este un mijloc eficient pentru dispersarea și micromăcinarea (măcinarea umedă) pigmenților de cerneală. Dispersoarele cu ultrasunete sunt utilizate cu succes atât în cercetare, cât și în fabricarea industrială a cernelurilor inkjet UV, pe bază de apă sau pe bază de solvenți.

Cerneluri inkjet nanodispersate

Ultrasunetele sunt foarte eficiente în reducerea dimensiunii particulelor în intervalul de la 500µm până la aprox. 10nm.
Atunci când ultrasonicarea este utilizată pentru dispersarea nanoparticulelor în cerneala inkjet, gama de culori (gamutul) a cernelii, durabilitatea și calitatea imprimării pot fi îmbunătățite substanțial. Prin urmare, ultrasonicatoarele cu sondă sunt utilizate pe scară largă în fabricarea cernelurilor inkjet care conțin nanoparticule, a cernelurilor speciale (de ex. cerneluri conductive, cerneluri imprimabile 3D, cerneluri pentru tatuaje) și a vopselelor.

Graficele de mai jos prezintă un exemplu de pigmenți negri nesonicați comparativ cu pigmenți negri dispersați cu ultrasunete în cerneala inkjet. Tratamentul cu ultrasunete a fost efectuat cu sonicatorul cu sondă UIP1000hdT. Rezultatul tratamentului cu ultrasunete este o dimensiune vizibil mai mică a particulelor și o distribuție foarte îngustă a dimensiunii particulelor.

Dispersia cu ultrasunete conduce la pigmenți de cerneală semnificativ mai mici și mai uniformi. (graficul verde: înainte de sonicare – graficul roșu: după sonicare)

Cum îmbunătățește dispersia cu ultrasunete calitatea cernelii inkjet?

Ultrasonicatoarele de mare intensitate sunt foarte eficiente pentru dispersarea, reducerea dimensiunii și distribuția uniformă a nanoparticulelor.
Aceasta înseamnă că dispersarea nanoparticulelor cu ultrasunete în cerneala inkjet poate îmbunătăți performanța și durabilitatea acesteia. Nanoparticulele sunt particule foarte mici, cu dimensiuni în intervalul de 1 până la 100 de nanometri, și au proprietăți unice care pot îmbunătăți cerneala inkjet în mai multe moduri.

• În primul rând, nanoparticulele pot îmbunătăți gama de culori (gamutul) a cernelii inkjet, care se referă la gama de culori ce pot fi produse. Atunci când nanoparticulele sunt dispersate uniform cu un ultrasonicator cu sondă, cerneala prezintă, în consecință, culori mai vii și mai saturate. Acest lucru se datorează faptului că nanoparticulele pot difuza și reflecta lumina în moduri în care coloranții și pigmenții tradiționali nu o pot face, ceea ce duce la o reproducere îmbunătățită a culorilor.
• În al doilea rând, nanoparticulele dispersate omogen pot crește rezistența cernelii inkjet la decolorare, apă și pătare. Acest lucru se datorează faptului că nanoparticulele se pot lega mai puternic de hârtie sau de alt substrat, creând o imagine mai rezistentă și mai durabilă în timp. În plus, nanoparticulele pot împiedica întinderea cernelii în hârtie, care poate provoca pătarea și poate reduce claritatea imaginii imprimate.
• În cele din urmă, nanoparticulele dispersate cu ultrasunete pot îmbunătăți, de asemenea, calitatea imprimării și rezoluția cernelii inkjet. Dispersoarele cu ultrasunete sunt excepțional de eficiente în ceea ce privește măcinarea și amestecarea nanoparticulelor în lichide. Prin utilizarea unor particule mai mici, cerneala poate crea linii mai fine și mai precise, rezultând imagini mai clare și mai nete. Acest lucru este deosebit de important în aplicații precum imprimarea foto de înaltă calitate și imprimarea artistică (fine art).

Controlul asupra parametrilor de proces și al rezultatelor dispersiei

Dimensiunea particulelor și distribuția dimensiunii particulelor pigmenților de cerneală influențează numeroase caracteristici ale produsului, cum ar fi puterea de colorare sau calitatea imprimării. În cazul imprimării inkjet, o cantitate mică de particule mai mari poate duce la instabilitatea dispersiei, sedimentare sau defectarea duzelor inkjet. Din acest motiv, pentru calitatea cernelii inkjet este important să existe un bun control asupra procesului de reducere a dimensiunii utilizat în producție.

Procesarea inline a nanodispersiilor pentru cerneluri inkjet

Reactoarele cu ultrasunete Hielscher sunt utilizate în mod obișnuit inline. Cerneala inkjet este pompată în vasul reactorului. Acolo este expusă cavitației ultrasonice la o intensitate controlată. Timpul de expunere rezultă din volumul reactorului și debitul de alimentare cu material. Sonicarea inline elimină ocolirea (by-pass-ul), deoarece toate particulele trec prin camera reactorului urmând un traseu definit. Deoarece toate particulele sunt expuse unor parametri de sonicare identici, pe aceeași durată, în fiecare ciclu, ultrasonicarea îngustează și deplasează de regulă curba de distribuție, în loc să o lărgească. Dispersia cu ultrasunete produce distribuții ale dimensiunii particulelor relativ simetrice. În general, coada spre dreapta – o asimetrie negativă a curbei cauzată de o deplasare către materialele grosiere („coada” din dreapta) – nu poate fi observată la probele sonicate.

Dispersie la temperaturi controlate: răcirea procesului

Pentru vehiculele sensibile la temperatură, Hielscher oferă reactoare cu celulă de flux cu manta pentru toate dispozitivele de laborator și industriale. Prin răcirea pereților interiori ai reactorului, căldura de proces poate fi disipată eficient.

Imaginile de mai jos prezintă pigment negru de fum dispersat cu sonicatorul cu sondă UIP1000hdT în cerneală UV.

Dispersia cu ultrasunete asigură o reducere eficientă a dimensiunii particulelor și o distribuție uniformă a pigmenților de negru de fum în cerneala UV.

Dispersarea și dezaglomerarea cernelurilor inkjet la orice scară

Hielscher produce echipamente de dispersare cu ultrasunete pentru procesarea cernelurilor la orice volum. Omogenizatoarele cu ultrasunete de laborator sunt utilizate pentru volume de la 1,5mL până la aprox. 2L și sunt ideale pentru etapa de cercetare-dezvoltare (R+D) a formulărilor de cerneluri, precum și pentru testele de calitate. În plus, testele de fezabilitate în laborator permit selectarea cu precizie a dimensiunii echipamentului necesar pentru producția comercială.
Dispersoarele industriale cu ultrasunete sunt utilizate în producție pentru loturi de la 0,5 până la aprox. 2000L sau debite de la 0,1L până la 20m³ pe oră. Spre deosebire de alte tehnologii de dispersare și măcinare, ultrasonicarea poate fi extinsă cu ușurință la scară mare, deoarece toți parametrii importanți ai procesului pot fi scalați liniar.

Tabelul de mai jos prezintă recomandări generale privind ultrasonicatoarele, în funcție de volumul lotului sau de debitul de procesat.

 
Cum funcționează dispersoarele cu ultrasunete? – Principiul de funcționare al cavitației acustice
Cavitația ultrasonică este un proces care utilizează unde sonore de înaltă frecvență pentru a genera mici bule de gaz într-un lichid. Atunci când bulele sunt supuse unei presiuni ridicate, ele pot colapsa sau imploda, eliberând o explozie de energie. Această energie poate fi utilizată pentru a dispersa particulele în lichid, descompunându-le în dimensiuni mai mici.
În cavitația ultrasonică, undele sonore sunt generate de un traductor ultrasonic, care este de obicei montat pe o sondă sau sonotrodă. Traductorul transformă energia electrică în energie mecanică sub formă de unde sonore, care sunt apoi transmise în lichid prin sondă sau sonotrodă. Când undele sonore ajung în lichid, ele creează unde de înaltă presiune care pot provoca implozia bulelor de gaz.
Există mai multe aplicații potențiale ale cavitației ultrasonice în procesele de dispersare, inclusiv producerea de emulsii, dispersarea pigmenților și a materialelor de umplutură și dezaglomerarea particulelor. Cavitația ultrasonică poate fi o modalitate eficientă de dispersare a particulelor, deoarece poate genera forțe de forfecare ridicate și aport de energie, iar alți parametri importanți ai procesului, cum ar fi temperatura și presiunea, pot fi controlați cu precizie, ceea ce face posibilă adaptarea procesului la nevoile specifice ale aplicației. Acest control precis al procesului este unul dintre avantajele remarcabile ale sonicării, deoarece produsele de înaltă calitate pot fi obținute în mod fiabil și reproductibil și se evită orice degradare nedorită a particulelor sau a lichidului.

Robust și ușor de curățat

Un reactor cu ultrasunete este format din vasul reactorului și sonotroda ultrasonică. Aceasta este singura piesă supusă uzurii și poate fi înlocuită cu ușurință în câteva minute. Flanșele de decuplare a oscilațiilor permit montarea sonotrodei în recipiente deschise sau închise presurizabile sau în celule de flux, în orice orientare. Nu sunt necesari rulmenți. Reactoarele cu celulă de flux sunt fabricate în general din oțel inoxidabil, au geometrii simple și pot fi ușor demontate și șterse. Nu există orificii mici sau colțuri ascunse.

Curățare cu ultrasunete pe loc

Intensitatea ultrasonică utilizată pentru aplicațiile de dispersare este mult mai mare decât cea pentru curățarea tipică cu ultrasunete. Prin urmare, puterea ultrasonică poate fi utilizată pentru a sprijini curățarea în timpul spălării și clătirii, deoarece cavitația ultrasonică îndepărtează particulele și reziduurile lichide de pe sonotrodă și de pe pereții celulei de flux.