Ultrazvočno zmanjšanje velikosti črnila (npr. za brizgalni tiskalnik)

Ultrazvočna kavitacija je učinkovito sredstvo za razprševanje in mikrobrušenje (mokro mletje) pigmentov črnila. Ultrazvočni dispergatorji se uspešno uporabljajo v raziskavah in industrijski proizvodnji brizgalnih črnil na osnovi UV, vode ali topil.

Nano-dispergirana brizgalna črnila

Ultrazvok je zelo učinkovit pri zmanjševanju velikosti delcev v območju od 500μm do približno 10nm.
Ko se ultrazvočna razbijanje uporablja za razpršitev nanodelcev v brizgalnem črnilu, se lahko barvna lestvica, trajnost in kakovost tiskanja bistveno izboljšajo. Zato se ultrazvočni aparati tipa sonde pogosto uporabljajo pri izdelavi brizgalnih črnil, ki vsebujejo nanodelce, posebnih črnil (npr. prevodnih črnil, črnil za 3D-tiskanje, črnil za tetoviranje) in barv.
 

Spodnji grafi prikazujejo primer za nezvočno razpršene in ultrazvočno razpršene črne pigmente v brizgalnem črnilu. Ultrazvočno zdravljenje je bilo izvedeno z ultrazvočno sondo UIP1000hdT. Rezultat ultrazvočne obdelave je vidno manjša velikost delcev in zelo ozka porazdelitev velikosti delcev.

Ultrazvočna disperzija ima za posledico bistveno manjše in bolj enakomerne pigmente črnila. (zeleni graf: pred ultrazvočnim razbijanjem – Rdeči graf: po ultrazvočnem razbivanju)

Kako ultrazvočna disperzija izboljša kakovost brizgalnega črnila?

Ultrazvočni aparati z visoko intenzivnostjo so zelo učinkoviti za disperzijo, zmanjšanje velikosti in enakomerno porazdelitev nanodelcev.
To pomeni, da lahko izločanje nanodelcev z ultrazvokom v brizgalnem črnilu izboljša njegovo zmogljivost in vzdržljivost. Nanodelci so zelo majhni delci velikosti od 1 do 100 nanometrov in imajo edinstvene lastnosti, ki lahko izboljšajo brizgalno črnilo na več načinov.

• Prvič, nanodelci lahko izboljšajo barvno lestvico brizgalnega črnila, ki se nanaša na razpon barv, ki jih je mogoče proizvesti. Ko so nanodelci enakomerno razpršeni z ultrazvočnim zvočnim aparatom tipa sonde, črnilo posledično kaže bolj žive in nasičene barve. To je zato, ker lahko nanodelci razpršijo in odbijajo svetlobo na načine, ki jih tradicionalna barvila in pigmenti ne morejo, kar vodi do izboljšane reprodukcije barv.
• Drugič, homogeno razpršeni nanodelci lahko povečajo odpornost brizgalnega črnila na bledenje, vodo in razmazanje. To je zato, ker se lahko nanodelci močneje vežejo na papir ali drugo podlago, kar ustvarja trajnejšo in dolgotrajnejšo sliko. Poleg tega lahko nanodelci preprečijo, da bi črnilo krvavilo v papir, kar lahko povzroči razmazanje in zmanjša ostrino natisnjene slike.
• Ultrazvočno razpršeni nanodelci lahko izboljšajo tudi kakovost tiskanja in ločljivost brizgalnega črnila. Ultrazvočni razpršilniki so izjemno učinkoviti, ko gre za mletje in mešanje nanodelcev v tekočinah. Z uporabo manjših delcev lahko črnilo ustvari natančnejše in natančnejše črte, kar ima za posledico ostrejše in jasnejše slike. To je še posebej pomembno pri aplikacijah, kot sta visokokakovostno tiskanje fotografij in tiskanje umetnin.

Nadzor nad procesnimi parametri in rezultati disperzije

Velikost delcev in porazdelitev velikosti delcev pigmentov črnila vplivata na številne lastnosti izdelka, kot sta trdnost niansiranja ali kakovost tiskanja. Pri brizgalnem tiskanju lahko majhna količina večjih delcev povzroči disperzijo nestabilnosti, sedimentacijo ali okvaro brizgalne šobe. Zato je za kakovost brizgalnega črnila pomembno, da ima dober nadzor nad postopkom zmanjševanja velikosti, ki se uporablja v proizvodnji.

Inline obdelava nanodisperzij za brizgalna črnila

Hielscher ultrazvočni reaktorji se običajno uporabljajo v liniji. Brizgalno črnilo se črpa v reaktorsko posodo. Tam je izpostavljen ultrazvočni kavitaciji z nadzorovano intenzivnostjo. Čas izpostavljenosti je posledica prostornine reaktorja in hitrosti dovajanja materiala. Inline ultrazvočno razbijanje odpravlja obhod, ker vsi delci gredo skozi reaktorsko komoro po določeni poti. Ker so vsi delci med vsakim ciklom izpostavljeni enakim parametrom ultrazvočnega razbijanja za isti čas, ultrazvočno razglašanje običajno zoži in premakne porazdelitveno krivuljo, namesto da bi jo razširilo. Ultrazvočna disperzija proizvaja relativno simetrične porazdelitve velikosti delcev. Na splošno je desna jalovina – negativna poševnost krivulje, ki jo povzroči premik na grobe materiale ("rep" na desni) – ni mogoče opaziti pri ultrazvočnih vzorcih.

Disperzija pri nadzorovanih temperaturah: procesno hlajenje

Za temperaturno občutljiva vozila Hielscher ponuja reaktorje s pretočnimi celicami za vse laboratorijske in industrijske naprave. S hlajenjem notranjih sten reaktorja se lahko procesna toplota učinkovito razprši.

Spodnje slike prikazujejo pigment saje, razpršen z ultrazvočno sondo UIP1000hdT v UV črnilu.

Ultrazvočna disperzija zagotavlja učinkovito zmanjšanje velikosti delcev in enakomerno porazdelitev pigmentov saj v UV črnilu.

Razprševanje in deaglomeracija brizgalnih črnil v poljubnem obsegu

Hielscher izdeluje ultrazvočno disperzijsko opremo za obdelavo črnil v katerem koli volumnu. Ultrazvočni laboratorijski homogenizatorji se uporabljajo za prostornine od 1,5 ml do približno 2 l in so idealni za fazo R + D formulacij črnil, kot tudi za testiranje kakovosti. Poleg tega preskus izvedljivosti v laboratoriju omogoča natančno izbiro zahtevane velikosti opreme za komercialno proizvodnjo.
Industrijski ultrazvočni razpršilniki se uporabljajo v proizvodnji za serije od 0,5 do približno 2000L ali pretok od 0,1L do 20m³ na uro. Za razliko od drugih tehnologij razprševanja in rezkanja je ultrazvočno razširitev mogoče enostavno povečati, saj je vse pomembne procesne parametre mogoče linearno prilagoditi.

Spodnja tabela prikazuje splošna priporočila za ultrazvočne naprave, odvisno od prostornine serije ali pretoka, ki ga je treba obdelati.

 
Kako delujejo ultrazvočni razpršilniki? – 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 zrušijo ali implodirajo in sprostijo izbruh energije. Ta energija se lahko uporabi za razpršitev delcev v tekočini in jih razgradi na manjše velikosti.
Pri ultrazvočni kavitaciji zvočne valove ustvarja ultrazvočni pretvornik, ki je običajno nameščen na sondi ali rogu. Pretvornik pretvori električno energijo v mehansko energijo v obliki zvočnih valov, ki se nato prenašajo v tekočino skozi sondo ali rog. Ko zvočni valovi dosežejo tekočino, ustvarijo visokotlačne valove, ki lahko povzročijo implodacijo plinskih mehurčkov.
Obstaja več potencialnih aplikacij za ultrazvočno kavitacijo v disperzijskih procesih, vključno s proizvodnjo emulzij, disperzijo pigmentov in polnil ter deaglomeracijo delcev. Ultrazvočna kavitacija je lahko učinkovit način za razpršitev delcev, saj lahko ustvari visoke strižne sile in vnos energije, pa tudi druge pomembne procesne parametre, kot sta temperatura in tlak, ki jih je mogoče natančno nadzorovati, kar omogoča prilagajanje procesa specifičnim potrebam aplikacije. Ta natančen nadzor procesa je ena od pomembnih prednosti ultrazvočne obdelave, saj so visokokakovostni izdelki lahko zanesljivi in ponovljivo izdelani ter se izognemo neželeni razgradnji delcev ali tekočine.

Robusten in enostaven za čiščenje

Ultrazvočni reaktor je sestavljen iz reaktorske posode in ultrazvočne sonotrode. To je edini del, ki je podvržen obrabi in ga je mogoče enostavno zamenjati v nekaj minutah. Prirobnice za ločevanje nihanja omogočajo montažo sonotrode v odprte ali zaprte posode pod tlakom ali pretočne celice v kateri koli orientaciji. Ležaji niso potrebni. Reaktorji s pretočnimi celicami so običajno izdelani iz nerjavečega jekla in imajo preprosto geometrijo ter jih je mogoče enostavno razstaviti in izbrisati. Ni majhnih odprtin ali skritih vogalov.

Ultrazvočni čistilnik na mestu

Ultrazvočna intenzivnost, ki se uporablja za razprševanje, je veliko višja kot pri tipičnem ultrazvočnem čiščenju. Zato se lahko ultrazvočna moč uporablja za pomoč pri čiščenju med izpiranjem in izpiranjem, saj ultrazvočna kavitacija odstranjuje delce in tekoče ostanke iz sonotrode in iz sten pretočnih celic.