Ultrazvok za dispergiranje in mletje: barve in pigmenti

Visokozmogljivi ultrazvok je dobro znan po svojih intenzivnih in natančno obvladljivih učinkih mletja in dispergiranja. Zato so ultrazvočni homogenizatorji idealni za pripravo pigmentnih past in formulacij barv. Industrijski ultrazvočni procesorji zagotavljajo zelo enakomerno porazdelitev velikosti delcev v mikrometrskem in nanometrskem območju. Z ultrazvočnimi procesorji Hielscher obdelujte velike prostorninske tokove visoko viskoznih materialov ter dosezite homogeno omočenje, dispergiranje, deaglomeracijo in mletje!

Proizvodnja barv z ultrazvokom

Izboljšajte svoje barve, barvila in premaze s sonikacijo:

• Formulacija: Ne glede na to, ali gre za visoko viskoznost, visoko vsebnost delcev ali vodno osnovo oziroma osnovo s topili – z industrijskimi ultrazvočnimi procesorji Hielscher za obdelavo v pretočnem sistemu lahko obdelate katero koli formulacijo.
• Mikrometrska in nanometrska velikost: Visoke strižne sile, ki nastajajo zaradi akustične kavitacije, zmanjšajo delce na zelo majhne premere in zagotavljajo enakomerno disperzijo. Prilagajanje parametrov ultrazvočne obdelave zahtevam vaših delcev in formulacij omogoča zanesljivo proizvodnjo pigmentov nanometrske velikosti.
• Optične lastnosti: Za doseganje ustreznih optičnih lastnosti je treba nadzorovati velikost pigmentnih delcev. Motnost je običajno povezana z velikostjo delcev: manjši kot so delci, večja je motnost. TiO2 se na primer namensko obdela do velikosti delcev od 0,20 do 0,3 mikrometra, kar približno ustreza polovici valovne dolžine svetlobe. Ultrazvočna obdelava zmanjša pigmente TiO2 na njihovo optimalno velikost, s čimer se doseže največja pokrivnost.
• Visokozmogljivi delci: Manjši delci zagotavljajo večjo nasičenost barve, enakomernost barve in stabilnost. Intenzivne, vendar natančno obvladljive ultrazvočne sile omogočajo izdelavo modificiranih in funkcionaliziranih nanodelcev, kot so prevlečeni delci, SWNTs, MWCNTs in delci z jedrom in lupino. Takšni delci izkazujejo edinstvene lastnosti ter dvignejo formulacije barv ali premazov na novo raven kakovosti in funkcionalnosti (npr. odpornost proti UV-sevanju, odpornost proti praskam, trdnost, oprijemljivost, visoka toplotna odpornost ter odbojnost infrardečega in sončnega sevanja).
• Modificirani delci: Površinsko modificirani pigmenti imajo pri visoki vsebnosti pigmenta zelo nizko viskoznost (2,5cP pri 10% trdnih snovi), izjemno stabilnost suspenzije in visoko čistost. Funkcionalizacija delcev s pomočjo ultrazvoka omogoča preprosto sintezo visokozmogljivih pigmentov s posebnimi lastnostmi.

Pigmentne paste, ki se meljejo in dispergirajo z ultrazvočno kavitacijo in visokimi strižnimi silami, izkazujejo znatno zmanjšanje velikosti delcev in enakomerno porazdelitev. Zgornji graf prikazuje vse večje zmanjšanje velikosti delcev ob povečevanju ultrazvočne energije.

Za proizvodnjo barv je treba sestavine, kot so pigmenti, veziva/ tvorci filma, razredčila/ topila, smole, polnila in dodatki, zmešati v homogeno formulacijo. Pigmenti so odločilna sestavina, ki barvi daje njen barvni odtenek. Najpomembnejši beli pigment je TiO2, ki ga je treba zmleti na optimalno velikost delcev s premerom med 0,2 in 0,3 mikrometra, da doseže želeno stopnjo beline, svetlosti, motnosti in zelo visok lomni količnik. Ultrazvočne strižne sile zagotavljajo zelo učinkovito in energijsko učinkovito deaglomeracijo in dispergiranje delcev TiO2 (glejte spodnjo sliko).

TEM-posnetek ultrazvočno dispergirane suspenzije nanodelcev TiO2 z različnimi koncentracijami trdnih snovi. Sonikacija je bila izvedena z ultrazvočnim procesorjem UIP1000hdT
Levo: vnos ultrazvočne energije 1,8 × 10⁵ J/L – desno: vnos ultrazvočne energije 5,4 × 10⁵ J/L
(Študija in slike: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ultrazvočno mletje in dispergiranje izboljšata kakovost barve z izboljšanjem njene barvne moči, gostote, finosti mletja, disperzije in reologije.

Pogoji ultrazvočnega dispergiranja in mletja

Kakovost barv in premazov je odvisna od homogene disperzije pigmentov. Hielscher Ultrasonics dobavlja učinkovito opremo za mletje in drobljenje za dispergiranje barv, zlasti za formulacije z visoko vsebnostjo pigmentov. Delovanje ultrazvočnih dispergatorjev pri mletju, drobljenju, deaglomeraciji in dispergiranju temelji predvsem na strigu, ki ga ustvarja ultrazvočna kavitacija. Kavitacijske strižne sile, potrebne za razdruževanje delcev, nastajajo zaradi velikih razlik v tlaku, lokalnih vročih točk in tekočinskih curkov, kar povzroči razbitje delcev zaradi medsebojnih trkov.
Industrijski ultrazvočni dispergatorji, kot je UIP16000hdT s 16.000 vati na ultrazvočno sondo, imajo zmogljivost za obdelavo velikih prostorninskih tokov barv in premazov.

S sonikacijo obdelana kredna barva na grindometru kaže popolnoma enakomerno deaglomeracijo in porazdelitev velikosti pigmentnih delcev

Dispergiranje nanodelcev

Ultrazvočno mletje in dispergiranje sta pogosto edina metoda za učinkovito obdelavo nanodelcev, s katero se pridobijo posamično dispergirani primarni delci. Majhna velikost primarnih delcev zagotavlja veliko površino in je povezana z izraženostjo edinstvenih lastnosti in funkcionalnosti delcev. Hkrati je manjša velikost delcev povezana z visoko površinsko energijo, ki povzroča izrazitejšo agregacijo in reaktivnost, zato so za homogeno dispergiranje nanodelcev v formulaciji potrebne intenzivne ultrazvočne dispergirne sile.
Poleg tega lahko ultrazvočna površinska obdelava modificira nanodelce, kar izboljša njihovo disperzibilnost, stabilnost disperzije, hidrofobnost in druge lastnosti.
Raziskovalci so metodo ultrazvočnega dispergiranja nanodelcev priporočili kot prednostno rešitev, »ker je material, dispergiran z ultrazvočno metodo, veliko čistejši od materiala, pridobljenega z mletjem s kroglicami.« [Kim et al. 2010].

Tehnika ultrazvočnega dispergiranja ima številne prednosti v primerjavi s tradicionalnimi tehnologijami mletja, kot so trivaljčni mlini, krogelni mlini ali mlini z mlevnimi telesi.

Preberite več o ultrazvočni homogenizaciji in dispergiranju pigmentov in barvil za koncentrate in formulacije barv!

Literatura / Viri

• FactSheet Ultrasonic Inkjet Dispersion – Hielscher Ultrasonics
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS₄ with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
• Kim, Moojoon; Kim, Jungsoon; Jo, Misun; Ha, Kanglyeo (2010): Dispersion effect of nano particle according to ultrasound exposure by using focused ultrasonic field. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics 6-8 December, 2010. 31, 2010. 549-550.
• Pekarovicov, Alexandra; Pekarovic, Jan (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Industry insight Pira International 2009.