Ultrazvočno zmanjševanje velikosti delcev v črnilu (npr. za brizgalni tisk)

Ultrazvočna kavitacija je učinkovito sredstvo za dispergiranje in mikromletje (mokro mletje) pigmentov v črnilu. Ultrazvočni dispergatorji se uspešno uporabljajo tako pri raziskavah kot pri industrijski proizvodnji UV-črnil ter črnil na vodni osnovi ali osnovi topil za brizgalni tisk.

Nanodispergirana črnila za brizgalni tisk

Ultrazvok je zelo učinkovit pri zmanjševanju velikosti delcev v območju od 500µm do približno 10nm.
Z uporabo ultrazvočne obdelave za dispergiranje nanodelcev v črnilu za brizgalni tisk je mogoče znatno izboljšati barvni obseg črnila, obstojnost in kakovost tiska. Zato se ultrazvočne naprave s sondo pogosto uporabljajo pri proizvodnji črnil za brizgalni tisk, ki vsebujejo nanodelce, posebnih črnil (npr. prevodnih črnil, črnil za 3D-tiskanje, črnil za tetoviranje) in barv.
 

Spodnja grafa prikazujeta primer črnih pigmentov v črnilu za brizgalni tisk brez sonikacije in po ultrazvočnem dispergiranju. Ultrazvočna obdelava je bila izvedena z ultrazvočno sondo UIP1000hdT. Rezultat ultrazvočne obdelave sta vidno manjša velikost delcev in zelo ozka porazdelitev velikosti delcev.

Ultrazvočno dispergiranje zagotavlja znatno manjše in bolj enakomerne pigmente v črnilu. (zeleni graf: pred sonikacijo – rdeči graf: po sonikaciji)

Kako ultrazvočno dispergiranje izboljša kakovost črnila za brizgalni tisk?

Ultrazvočne naprave z visoko intenzivnostjo so zelo učinkovite pri dispergiranju, zmanjševanju velikosti in enakomerni porazdelitvi nanodelcev.
To pomeni, da lahko dispergiranje nanodelcev z ultrazvokom v črnilu za brizgalni tisk izboljša njegove lastnosti in obstojnost. Nanodelci so zelo majhni delci z velikostmi v območju od 1 do 100 nanometrov in imajo edinstvene lastnosti, ki lahko črnilo za brizgalni tisk izboljšajo na več načinov.

• Prvič, nanodelci lahko izboljšajo barvni obseg črnila za brizgalni tisk, ki pomeni razpon barv, ki jih je mogoče ustvariti. Ko so nanodelci enakomerno dispergirani z ultrazvočno napravo s sondo, črnilo posledično daje bolj žive in nasičene barve. To je zato, ker lahko nanodelci sipajo in odbijajo svetlobo na načine, ki jih tradicionalna barvila in pigmenti ne omogočajo, kar izboljša reprodukcijo barv.
• Drugič, homogeno dispergirani nanodelci lahko povečajo odpornost črnila za brizgalni tisk proti bledenju, vodi in razmazovanju. To je zato, ker se lahko nanodelci močneje vežejo na papir ali drugo podlago ter ustvarijo obstojnejšo in trajnejšo sliko. Poleg tega lahko nanodelci preprečijo razlivanje črnila v papir, ki lahko povzroči razmazovanje in zmanjša ostrino natisnjene slike.
• Nazadnje lahko ultrazvočno dispergirani nanodelci izboljšajo tudi kakovost tiska in ločljivost črnila za brizgalni tisk. Ultrazvočni dispergatorji so izjemno učinkoviti pri mletju in mešanju nanodelcev v tekočinah. Z uporabo manjših delcev lahko črnilo ustvari tanjše in natančnejše črte, kar zagotavlja ostrejše in jasnejše slike. To je še posebej pomembno pri uporabi za visokokakovostni tisk fotografij in umetniški tisk.

Nadzor procesnih parametrov in rezultatov dispergiranja

Velikost delcev in porazdelitev velikosti delcev pigmentov v črnilu vplivata na številne lastnosti izdelka, kot sta barvilna moč ali kakovost tiska. Pri brizgalnem tisku lahko majhna količina večjih delcev povzroči nestabilnost disperzije, sedimentacijo ali odpoved šobe za brizgalni tisk. Zato je za kakovost črnila za brizgalni tisk pomemben dober nadzor nad postopkom zmanjševanja velikosti delcev, ki se uporablja v proizvodnji.

Obdelava nanodisperzij za črnila za brizgalni tisk v pretočnem sistemu

Ultrazvočni reaktorji Hielscher se običajno uporabljajo v pretočnih sistemih. Črnilo za brizgalni tisk se črpa v reaktorsko posodo. Tam je izpostavljeno ultrazvočni kavitaciji z nadzorovano intenzivnostjo. Čas izpostavljenosti je odvisen od prostornine reaktorja in dovodnega pretoka materiala. Sonikacija v pretočnem sistemu odpravlja obvod, saj vsi delci prehajajo skozi reaktorsko komoro po določeni poti. Ker so vsi delci med vsakim ciklom enako dolgo izpostavljeni enakim parametrom sonikacije, ultrazvočna obdelava običajno zoži in premakne porazdelitveno krivuljo, namesto da bi jo razširila. Ultrazvočno dispergiranje daje razmeroma simetrične porazdelitve velikosti delcev. Pri sonikiranih vzorcih na splošno ni mogoče opaziti podaljšanega repa na desni – negativne asimetrije krivulje, ki jo povzroči premik proti bolj grobim materialom (»rep« na desni).

Dispergiranje pri nadzorovanih temperaturah: hlajenje procesa

Za temperaturno občutljive nosilne medije Hielscher ponuja reaktorje s pretočno celico s hladilnim plaščem za vse laboratorijske in industrijske naprave. S hlajenjem notranjih sten reaktorja je mogoče učinkovito odvajati procesno toploto.

Spodnje slike prikazujejo pigment saj, dispergiran z ultrazvočno sondo UIP1000hdT v UV-črnilu.

Ultrazvočno dispergiranje zagotavlja učinkovito zmanjševanje velikosti delcev in enakomerno porazdelitev pigmentov saj v UV-črnilu.

Dispergiranje in deaglomeracija črnil za brizgalni tisk v poljubnem merilu

Hielscher izdeluje ultrazvočno opremo za dispergiranje za obdelavo črnil pri poljubni prostornini. Laboratorijski ultrazvočni homogenizatorji se uporabljajo za prostornine od 1,5mL do približno 2L in so idealni za raziskovalno-razvojno fazo formulacij črnil ter za preverjanje kakovosti. Poleg tega laboratorijski preskusi izvedljivosti omogočajo natančno izbiro potrebne velikosti opreme za komercialno proizvodnjo.
Industrijski ultrazvočni dispergatorji se v proizvodnji uporabljajo za šarže od 0,5 do približno 2000L ali pretoke od 0,1L do 20m³ na uro. V nasprotju z drugimi tehnologijami dispergiranja in mletja je ultrazvočno obdelavo mogoče preprosto prenesti v večje merilo, saj je mogoče vse pomembne procesne parametre linearno prilagajati.

Spodnja tabela prikazuje splošna priporočila za ultrazvočne naprave glede na prostornino šarže ali pretok za obdelavo.

 
Kako delujejo ultrazvočni dispergatorji? – Načelo delovanja akustične kavitacije
Ultrazvočna kavitacija je proces, ki uporablja visokofrekvenčne zvočne valove za ustvarjanje majhnih plinskih mehurčkov v tekočini. Ko so mehurčki izpostavljeni visokemu tlaku, se lahko sesedejo oziroma implodirajo in pri tem sunkovito sprostijo energijo. To energijo je mogoče uporabiti za dispergiranje delcev v tekočini in njihovo drobljenje na manjše delce.
Pri ultrazvočni kavitaciji zvočne valove ustvarja ultrazvočni pretvornik, ki je običajno nameščen na sondi ali sonotrodi. Pretvornik pretvarja električno energijo v mehansko energijo v obliki zvočnih valov, ki se nato prek sonde ali sonotrode prenašajo v tekočino. Ko zvočni valovi dosežejo tekočino, ustvarijo valove visokega tlaka, ki lahko povzročijo implozijo plinskih mehurčkov.
Ultrazvočna kavitacija ima več možnih uporab v postopkih dispergiranja, vključno s proizvodnjo emulzij, dispergiranjem pigmentov in polnil ter deaglomeracijo delcev. Ultrazvočna kavitacija je lahko učinkovit način dispergiranja delcev, ker lahko ustvarja velike strižne sile in vnos energije, poleg tega pa je mogoče natančno nadzorovati druge pomembne procesne parametre, kot sta temperatura in tlak, kar omogoča prilagoditev procesa posebnim potrebam uporabe. Ta natančen nadzor procesa je ena od izrazitih prednosti sonikacije, saj je mogoče visokokakovostne izdelke proizvajati zanesljivo in ponovljivo ter se izogniti vsakršni neželeni degradaciji delcev ali tekočine.

Robustnost in preprosto čiščenje

Ultrazvočni reaktor sestavljata reaktorska posoda in ultrazvočna sonotroda. Ta je edini del, ki je izpostavljen obrabi, in jo je mogoče preprosto zamenjati v nekaj minutah. Prirobnice za ločevanje nihanj omogočajo namestitev sonotrode v poljubni orientaciji v odprte posode, zaprte posode, ki jih je mogoče tlačiti, ali pretočne celice. Ležaji niso potrebni. Reaktorji s pretočno celico so običajno izdelani iz nerjavnega jekla, imajo preprosto geometrijo ter jih je mogoče preprosto razstaviti in obrisati. Nimajo majhnih odprtin ali skritih kotov.

Ultrazvočno čiščenje na mestu

Ultrazvočna intenzivnost, ki se uporablja za dispergiranje, je veliko višja kot pri običajnem ultrazvočnem čiščenju. Zato je mogoče ultrazvočno moč uporabiti za podporo čiščenju med preplakovanjem in izpiranjem, saj ultrazvočna kavitacija odstranjuje delce in ostanke tekočin s sonotrode in sten pretočne celice.