Ultrazvukové zmenšovanie veľkosti častíc atramentu (napr. pre atramentovú tlač)

Ultrazvuková kavitácia je účinným prostriedkom na dispergovanie a mikromletie (mokré mletie) pigmentov v atramente. Ultrazvukové dispergátory sa úspešne používajú vo výskume aj v priemyselnej výrobe atramentov pre atramentovú tlač na báze UV, vody alebo rozpúšťadiel.

Nanodispergované atramenty pre atramentovú tlač

Ultrazvuk je veľmi účinný pri zmenšovaní veľkosti častíc v rozsahu od 500µm až po približne 10nm.
Použitie ultrazvuku na dispergovanie nanočastíc v atramente pre atramentovú tlač môže výrazne zlepšiť farebný gamut atramentu, jeho trvanlivosť a kvalitu tlače. Preto sa sondové ultrazvukové prístroje široko používajú pri výrobe atramentov pre atramentovú tlač obsahujúcich nanočastice, špeciálnych atramentov (napr. vodivých atramentov, atramentov na 3D tlač, tetovacích atramentov) a náterových farieb.
 

Nasledujúce grafy ukazujú príklad porovnania čiernych pigmentov v atramente pre atramentovú tlač bez sonikácie a po ultrazvukovom dispergovaní. Ultrazvukové spracovanie sa uskutočnilo pomocou ultrazvukovej sondy UIP1000hdT. Výsledkom ultrazvukového spracovania je viditeľne menšia veľkosť častíc a veľmi úzka distribúcia veľkosti častíc.

Ultrazvukové dispergovanie vedie k výrazne menším a rovnomernejším časticiam pigmentov v atramente. (zelený graf: pred sonikáciou – červený graf: po sonikácii)

Ako ultrazvukové dispergovanie zlepšuje kvalitu atramentu pre atramentovú tlač?

Ultrazvukové prístroje s vysokou intenzitou sú vysoko účinné pri dispergovaní, zmenšovaní veľkosti a rovnomernom rozložení nanočastíc.
To znamená, že dispergovanie nanočastíc ultrazvukom v atramente pre atramentovú tlač môže zlepšiť jeho úžitkové vlastnosti a trvanlivosť. Nanočastice sú veľmi malé častice s veľkosťou v rozsahu od 1 do 100 nanometrov a majú jedinečné vlastnosti, ktoré môžu viacerými spôsobmi zlepšiť atrament pre atramentovú tlač.

• Po prvé, nanočastice môžu zlepšiť farebný gamut atramentu pre atramentovú tlač, ktorý označuje rozsah farieb, ktoré možno vytvoriť. Keď sú nanočastice rovnomerne dispergované pomocou sondového ultrazvukového prístroja, atrament v dôsledku toho vykazuje živšie a sýtejšie farby. Je to preto, že nanočastice dokážu rozptyľovať a odrážať svetlo spôsobmi, ktoré tradičné farbivá a pigmenty nedokážu, čo vedie k lepšej reprodukcii farieb.
• Po druhé, homogénne dispergované nanočastice môžu zvýšiť odolnosť atramentu pre atramentovú tlač voči vyblednutiu, vode a rozmazaniu. Je to preto, že nanočastice sa môžu pevnejšie viazať na papier alebo iný podklad, čím vytvárajú odolnejší obraz s dlhšou životnosťou. Nanočastice navyše môžu zabrániť rozpíjaniu atramentu v papieri, ktoré môže spôsobiť rozmazanie a znížiť ostrosť vytlačeného obrazu.
• Napokon, ultrazvukom dispergované nanočastice môžu tiež zlepšiť kvalitu a rozlíšenie tlače pri použití atramentu pre atramentovú tlač. Ultrazvukové dispergátory sú mimoriadne účinné pri mletí a miešaní nanočastíc v kvapalinách. Vďaka použitiu menších častíc môže atrament vytvárať jemnejšie a presnejšie čiary, čo vedie k ostrejším a zreteľnejším obrazom. To je obzvlášť dôležité pri aplikáciách, ako je vysokokvalitná tlač fotografií a tlač výtvarných diel.

Riadenie procesných parametrov a výsledkov dispergovania

Veľkosť častíc pigmentov v atramente a distribúcia ich veľkosti ovplyvňujú mnohé vlastnosti produktu, ako je farbiaca schopnosť alebo kvalita tlače. Pri atramentovej tlači môže malé množstvo väčších častíc viesť k nestabilite disperzie, sedimentácii alebo zlyhaniu trysky atramentovej tlačiarne. Pre kvalitu atramentu pre atramentovú tlač je preto dôležité dobre riadiť proces zmenšovania veľkosti častíc používaný vo výrobe.

Prietokové spracovanie nanodisperzií pre atramenty na atramentovú tlač

Ultrazvukové reaktory Hielscher sa bežne používajú v prietokovom režime. Atrament pre atramentovú tlač sa čerpá do reaktorovej nádoby. Tam je vystavený ultrazvukovej kavitácii pri riadenej intenzite. Čas expozície závisí od objemu reaktora a rýchlosti prívodu materiálu. Prietoková sonikácia eliminuje obchádzanie ošetrenia, pretože všetky častice prechádzajú reaktorovou komorou po definovanej dráhe. Keďže sú všetky častice počas každého cyklu vystavené rovnakým parametrom sonikácie počas rovnakého času, ultrazvukové ošetrenie zvyčajne zužuje a posúva distribučnú krivku namiesto jej rozširovania. Ultrazvuková dispergácia vytvára relatívne symetrické distribúcie veľkosti častíc. Vo všeobecnosti sa pri sonikovaných vzorkách nedá pozorovať pravostranný chvost – záporná šikmosť krivky spôsobená posunom k hrubším materiálom („chvost“ vpravo).

Dispergácia pri riadených teplotách: chladenie procesu

Pre nosné médiá citlivé na teplotu ponúka Hielscher prietokové reaktory s chladiacim plášťom pre všetky laboratórne a priemyselné zariadenia. Chladením vnútorných stien reaktora možno účinne odvádzať procesné teplo.

Na obrázkoch nižšie je znázornený sadzový pigment dispergovaný ultrazvukovou sondou UIP1000hdT v UV atramente.

Ultrazvuková dispergácia zabezpečuje účinné zmenšenie veľkosti častíc a rovnomerné rozloženie sadzových pigmentov v UV atramente.

Dispergácia a deaglomerácia atramentov pre atramentovú tlač v akomkoľvek meradle

Hielscher vyrába ultrazvukové dispergačné zariadenia na spracovanie atramentov v akomkoľvek objeme. Laboratórne ultrazvukové homogenizátory sa používajú pre objemy od 1,5mL do približne 2L a sú ideálne na výskum a vývoj atramentových formulácií, ako aj na skúšky kvality. Skúšky uskutočniteľnosti v laboratóriu navyše umožňujú presne vybrať požadovanú veľkosť zariadenia na komerčnú výrobu.
Priemyselné ultrazvukové dispergátory sa používajú vo výrobe pre dávky od 0,5 do približne 2000L alebo pri prietokoch od 0,1L do 20m³ za hodinu. Na rozdiel od iných dispergačných a mlecích technológií možno ultrazvukové spracovanie ľahko preniesť do väčšieho meradla, pretože všetky dôležité procesné parametre možno škálovať lineárne.

Nasledujúca tabuľka uvádza všeobecné odporúčania ultrazvukových zariadení v závislosti od objemu dávky alebo prietoku pri spracovaní.

 
Ako fungujú ultrazvukové dispergátory? – Princíp fungovania akustickej kavitácie
Ultrazvuková kavitácia je proces, ktorý využíva vysokofrekvenčné zvukové vlny na vytváranie malých plynových bublín v kvapaline. Keď sú bubliny vystavené vysokému tlaku, môžu skolabovať, čiže implodovať, pričom sa nárazovo uvoľní energia. Táto energia sa môže použiť na dispergáciu častíc v kvapaline a ich rozbitie na menšie častice.
Pri ultrazvukovej kavitácii vytvára zvukové vlny ultrazvukový menič, ktorý je zvyčajne namontovaný na sonde alebo sonotróde. Menič premieňa elektrickú energiu na mechanickú energiu vo forme zvukových vĺn, ktoré sa potom prenášajú do kvapaliny cez sondu alebo sonotródu. Keď zvukové vlny dosiahnu kvapalinu, vytvárajú vlny s vysokým tlakom, ktoré môžu spôsobiť implóziu plynových bublín.
Ultrazvuková kavitácia má v dispergačných procesoch niekoľko potenciálnych využití vrátane výroby emulzií, dispergácie pigmentov a plnív a deaglomerácie častíc. Ultrazvuková kavitácia môže byť účinným spôsobom dispergácie častíc, pretože môže vytvárať vysoké šmykové sily a umožňuje presne riadiť prívod energie, ako aj ďalšie dôležité procesné parametre, napríklad teplotu a tlak, vďaka čomu možno proces prispôsobiť špecifickým potrebám danej aplikácie. Toto presné riadenie procesu je jednou z významných výhod sonikácie, pretože umožňuje spoľahlivo a reprodukovateľne vyrábať vysokokvalitné produkty a predchádzať akejkoľvek nežiaducej degradácii častíc alebo kvapaliny.

Robustné a ľahko čistiteľné

Ultrazvukový reaktor pozostáva z reaktorovej nádoby a ultrazvukovej sonotródy. Tá je jedinou súčasťou, ktorá podlieha opotrebovaniu, a možno ju jednoducho vymeniť v priebehu niekoľkých minút. Príruby oddeľujúce kmitanie umožňujú montáž sonotródy do otvorených alebo uzavretých nádob schopných prevádzky pod tlakom či do prietokových ciel v ľubovoľnej orientácii. Nie sú potrebné žiadne ložiská. Prietokové reaktory sú spravidla vyrobené z nehrdzavejúcej ocele, majú jednoduchú geometriu a možno ich ľahko rozobrať a vytrieť. Nemajú žiadne malé otvory ani skryté kúty.

Ultrazvukové čistenie na mieste

Intenzita ultrazvuku používaná pri dispergovaní je oveľa vyššia než pri bežnom ultrazvukovom čistení. Ultrazvukový výkon preto možno využiť na podporu čistenia počas preplachovania a oplachovania, pretože ultrazvuková kavitácia odstraňuje častice a zvyšky kvapalín zo sonotródy a zo stien prietokovej cely.