Ультразвуковое уменьшение размера частиц чернил (например, для струйной печати)

Ультразвуковая кавитация – эффективное средство для диспергирования и микроизмельчения (мокрого помола) пигментов чернил. Ультразвуковые диспергаторы успешно применяются как в исследованиях, так и в промышленном производстве УФ-отверждаемых чернил для струйной печати, а также чернил на водной основе или на основе растворителей.

Нанодисперсные чернила для струйной печати

Ультразвук очень эффективен для уменьшения размера частиц в диапазоне от 500µm до приблизительно 10nm.
Применение обработки ультразвуком для диспергирования наночастиц в чернилах для струйной печати может существенно улучшить цветовой охват, стойкость чернил и качество печати. Поэтому ультразвуковые устройства зондового типа широко используются при производстве содержащих наночастицы чернил для струйной печати, специальных чернил (например, проводящих чернил, чернил для 3D-печати, чернил для татуировок) и красок.
 

На графиках ниже приведён пример сравнения чёрных пигментов в чернилах для струйной печати без обработки ультразвуком и после ультразвукового диспергирования. Ультразвуковая обработка проводилась с помощью ультразвукового зонда UIP1000hdT. Результатом обработки ультразвуком стали заметно меньший размер частиц и очень узкое распределение частиц по размерам.

Ультразвуковое диспергирование позволяет получить значительно более мелкие и более однородные по размеру пигменты чернил. (Зелёный график: до обработки ультразвуком – красный график: после обработки ультразвуком)

Как ультразвуковое диспергирование улучшает качество чернил для струйной печати?

Высокоинтенсивные ультразвуковые устройства отличаются высокой эффективностью при диспергировании, уменьшении размера и равномерном распределении наночастиц.
Это означает, что диспергирование наночастиц с помощью ультразвука в чернилах для струйной печати может улучшить их рабочие характеристики и стойкость. Наночастицы – это очень мелкие частицы размером от 1 до 100 нанометров, обладающие уникальными свойствами, которые могут улучшать чернила для струйной печати несколькими способами.

• Во-первых, наночастицы могут улучшить цветовой охват чернил для струйной печати, то есть диапазон цветов, которые можно воспроизвести. При равномерном диспергировании наночастиц с помощью ультразвукового устройства зондового типа чернила в результате дают более яркие и насыщенные цвета. Это связано с тем, что наночастицы могут рассеивать и отражать свет способами, недоступными традиционным красителям и пигментам, что улучшает цветопередачу.
• Во-вторых, однородно диспергированные наночастицы могут повысить устойчивость чернил для струйной печати к выцветанию, воздействию воды и размазыванию. Это связано с тем, что наночастицы могут прочнее связываться с бумагой или другой подложкой, создавая более стойкое и долговечное изображение. Кроме того, наночастицы могут препятствовать растеканию чернил в бумаге, которое может приводить к размазыванию и снижать резкость напечатанного изображения.
• Наконец, наночастицы, диспергированные ультразвуком, также могут улучшить качество печати и разрешение при использовании чернил для струйной печати. Ультразвуковые диспергаторы исключительно эффективны при измельчении и смешивании наночастиц в жидкостях. Благодаря использованию более мелких частиц чернила позволяют создавать более тонкие и точные линии, обеспечивая более резкие и чёткие изображения. Это особенно важно для таких применений, как высококачественная фотопечать и печать произведений изобразительного искусства.

Контроль параметров процесса и результатов диспергирования

Размер частиц и распределение частиц пигментов чернил по размерам влияют на многие характеристики продукта, такие как красящая способность или качество печати. При струйной печати небольшое количество более крупных частиц может привести к нестабильности дисперсии, осаждению или отказу сопла струйного принтера. Поэтому для качества чернил для струйной печати важен надлежащий контроль процесса уменьшения размера частиц, применяемого в производстве.

Обработка нанодисперсий для чернил для струйной печати в потоке

Ультразвуковые реакторы Hielscher обычно используются в потоке. Чернила для струйной печати насосом подаются в ёмкость реактора. Там они подвергаются воздействию ультразвуковой кавитации с контролируемой интенсивностью. Время воздействия определяется объёмом реактора и скоростью подачи материала. Обработка ультразвуком в потоке исключает прохождение в обход зоны обработки, поскольку все частицы проходят через камеру реактора по заданному пути. Поскольку в каждом цикле все частицы подвергаются обработке ультразвуком при одинаковых параметрах в течение одинакового времени, обработка ультразвуком обычно сужает и смещает кривую распределения, а не расширяет её. Ультразвуковое диспергирование обеспечивает относительно симметричное распределение частиц по размерам. Как правило, у образцов, обработанных ультразвуком, не наблюдается правого хвоста – отрицательной асимметрии кривой, вызванной смещением в сторону более крупных частиц («хвост» справа).

Диспергирование при контролируемой температуре: охлаждение процесса

Для чувствительных к температуре жидких основ Hielscher предлагает реакторы с проточной ячейкой и охлаждающей рубашкой для всех лабораторных и промышленных устройств. Охлаждение внутренних стенок реактора позволяет эффективно отводить тепло, выделяющееся в процессе.

На изображениях ниже показан пигмент технического углерода, диспергированный с помощью ультразвукового зонда UIP1000hdT в УФ-отверждаемых чернилах.

Ультразвуковое диспергирование обеспечивает эффективное уменьшение размера частиц и равномерное распределение пигментов технического углерода в УФ-отверждаемых чернилах.

Диспергирование и деагломерация чернил для струйной печати в любом масштабе

Hielscher производит ультразвуковое диспергирующее оборудование для обработки чернил в любых объёмах. Лабораторные ультразвуковые гомогенизаторы используются для объёмов от 1,5mL до приблизительно 2L и идеально подходят как для этапа исследований и разработки рецептур чернил, так и для испытаний качества. Кроме того, лабораторные испытания осуществимости процесса позволяют точно выбрать требуемый типоразмер оборудования для коммерческого производства.
Промышленные ультразвуковые диспергаторы используются в производстве для партий объёмом от 0,5 до приблизительно 2000L или при расходе от 0,1L до 20m³ в час. В отличие от других технологий диспергирования и измельчения, обработку ультразвуком легко масштабировать, поскольку все важные параметры процесса можно масштабировать линейно.

В таблице ниже приведены общие рекомендации по выбору ультразвуковых устройств в зависимости от объёма обрабатываемой партии или расхода.

 
Как работают ультразвуковые диспергаторы? – Принцип действия акустической кавитации
Ультразвуковая кавитация – это процесс, в котором высокочастотные звуковые волны используются для образования небольших газовых пузырьков в жидкости. Под воздействием высокого давления пузырьки могут схлопываться, или коллапсировать, высвобождая импульс энергии. Эту энергию можно использовать для диспергирования частиц в жидкости, разрушая их до меньших размеров.
При ультразвуковой кавитации звуковые волны создаются ультразвуковым преобразователем, который обычно установлен на зонде или рупоре. Преобразователь превращает электрическую энергию в механическую энергию в форме звуковых волн, которые затем передаются в жидкость через зонд или рупор. Когда звуковые волны достигают жидкости, они создают волны высокого давления, которые могут вызывать схлопывание газовых пузырьков.
Ультразвуковая кавитация имеет несколько потенциальных применений в процессах диспергирования, включая получение эмульсий, диспергирование пигментов и наполнителей и деагломерацию частиц. Ультразвуковая кавитация может быть эффективным способом диспергирования частиц, поскольку она может создавать высокие сдвиговые усилия и обеспечивать подвод энергии, а другие важные параметры процесса, такие как температура и давление, можно точно контролировать, что позволяет адаптировать процесс к конкретным потребностям применения. Такой точный контроль процесса – одно из значительных преимуществ обработки ультразвуком, поскольку он позволяет надёжно и воспроизводимо получать высококачественные продукты и предотвращать любое нежелательное разрушение частиц или деградацию жидкости.

Прочность и простота очистки

Ультразвуковой реактор состоит из ёмкости реактора и ультразвукового сонотрода. Сонотрод – единственная деталь, подверженная износу, и его можно легко заменить за несколько минут. Фланцы с вибрационной развязкой позволяют устанавливать сонотрод в открытые или закрытые ёмкости, допускающие работу под давлением, либо в проточные ячейки в любой ориентации. Подшипники не требуются. Реакторы с проточной ячейкой обычно изготавливаются из нержавеющей стали, имеют простую геометрию и легко разбираются и очищаются протиранием. В них нет небольших отверстий или скрытых углов.

Ультразвуковая очистка без разборки

Интенсивность ультразвука, используемого для диспергирования, значительно выше, чем при обычной ультразвуковой очистке. Поэтому мощность ультразвука можно использовать для облегчения очистки при промывке и ополаскивании, поскольку ультразвуковая кавитация удаляет частицы и остатки жидкости с сонотрода и со стенок проточной ячейки.