Ultraljudsreduktion av bläck (t.ex. för bläckstråleskrivare)

Ultraljudskavitation är ett effektivt medel för dispergering och mikromalning (våtmalning) av bläckpigment. Ultraljudsdispergeringsmedel används framgångsrikt inom forskning samt vid industriell tillverkning av UV-, vatten- eller lösningsmedelsbaserade bläckstrålebläck.

Nano-dispergerade bläckstrålebläck

Ultraljud är mycket effektivt för att minska storleken på partiklar i intervallet från 500 μm ner till ca 10 nm.
När ultraljud används för att sprida nanopartiklar i bläckstrålebläck, kan bläckets färgomfång, hållbarhet och utskriftskvalitet förbättras avsevärt. Därför används ultraljudsapparater av sondtyp i stor utsträckning vid tillverkning av bläckstrålebläck som innehåller nanopartiklar, specialbläck (t.ex. ledande bläck, 3D-utskrivbara bläck, tatueringsbläck) och färger.
 

Graferna nedan visar ett exempel på icke-ultraljudsdispergerade vs ultraljudsdispergerade svarta pigment i bläckstrålebläck. Ultraljudsbehandling utfördes med ultraljudssonden UIP1000hdT. Resultatet av ultraljudsbehandlingen är en synbart mindre partikelstorlek och en mycket smal partikelstorleksfördelning.

Ultraljudsdispersion resulterar i betydligt mindre och mer enhetliga bläckpigment. (Grön graf: före ultraljudsbehandling – Röd graf: efter ultraljudsbehandling)

Hur förbättrar ultraljudsdispersion bläckstrålebläckkvaliteten?

Högintensiva ultraljudsapparater är mycket effektiva för dispersion, storleksminskning och jämn fördelning av nanopartiklar.
Detta innebär att användning av nanopartiklar med ultraljud i bläckstrålebläck kan förbättra dess prestanda och hållbarhet. Nanopartiklar är mycket små partiklar med storlekar i intervallet 1 till 100 nanometer, och de har unika egenskaper som kan förbättra bläckstrålebläck på flera sätt.

• För det första kan nanopartiklar förbättra färgomfånget för bläckstrålebläck, vilket hänvisar till det färgomfång som kan produceras. När nanopartiklar sprids jämnt med en ultraljudsapparat av sondtyp, uppvisar bläcket följaktligen mer levande och mättade färger. Detta beror på att nanopartiklar kan sprida och reflektera ljus på ett sätt som traditionella färgämnen och pigment inte kan, vilket leder till förbättrad färgåtergivning.
• För det andra kan homogent dispergerade nanopartiklar öka bläckstrålebläckets motståndskraft mot blekning, vatten och kladd. Detta beror på att nanopartiklar kan binda starkare till pappret eller annat substrat, vilket skapar en mer hållbar och långvarig bild. Dessutom kan nanopartiklar förhindra att bläcket blöder in i papperet, vilket kan orsaka fläckar och minska skärpan i den utskrivna bilden.
• Slutligen kan ultraljudsdispergerade nanopartiklar också förbättra utskriftskvaliteten och upplösningen hos bläckstrålebläck. Ultraljudsdispergeringsmedel är exceptionellt effektiva när det gäller att mala och blanda nanopartiklar i vätskor. Genom att använda mindre partiklar kan bläcket skapa finare och mer precisa linjer, vilket resulterar i skarpare och tydligare bilder. Detta är särskilt viktigt i applikationer som högkvalitativa fotoutskrifter och konstutskrifter.

Kontroll över processparametrar och dispersionsresultat

Partikelstorleken och partikelstorleksfördelningen av bläckpigment påverkar många produktegenskaper, t.ex. toningsstyrka eller tryckkvalitet. När det gäller bläckstråleutskrift kan en liten mängd större partiklar leda till dispersionsinstabilitet, sedimentation eller fel på bläckstrålemunstycket. Av denna anledning är det viktigt för bläckstrålebläckkvaliteten att ha en god kontroll över den storleksreduktionsprocess som används i produktionen.

Inbyggd bearbetning av nanodispersioner för bläckstrålebläck

Hielscher ultraljudsreaktorer används ofta in-line. Bläckstrålebläcket pumpas in i reaktorkärlet. Där utsätts den för ultraljudskavitation med en kontrollerad intensitet. Exponeringstiden är ett resultat av reaktorns volym och materialets matningshastighet. Inline ultraljudsbehandling eliminerar förbikoppling eftersom alla partiklar passerar reaktorkammaren efter en definierad väg. Eftersom alla partiklar utsätts för identiska ultraljudsbehandling parametrar under samma tid under varje cykel, ultraljud vanligtvis smalnar av och förskjuter fördelningskurvan snarare än att bredda den. Ultraljudsdispersion ger relativt symmetriska partikelstorleksfördelningar. Generellt sett är höger svansning – En negativ skevhet av kurvan orsakad av en förskjutning till de grova materialen ("svansen" till höger) – kan inte observeras vid ultraljudsbehandlade prover.

Dispersion under kontrollerade temperaturer: Processkylning

För temperaturkänsliga fordon erbjuder Hielscher mantlade flödescellsreaktorer för alla laboratorie- och industrienheter. Genom att kyla de inre reaktorväggarna kan processvärmen avledas effektivt.

Bilderna nedan visar kimrökspigment dispergerade med ultraljudssonden UIP1000hdT i UV-bläck.

Ultraljudsdispersion säkerställer en effektiv minskning av partikelstorleken och jämn fördelning av kimrökspigment i UV-bläck.

Dispergering och deagglomerering av bläckstrålebläck i valfri skala

Hielscher tillverkar ultraljudsdispergeringsutrustning för bearbetning av bläck i vilken volym som helst. Ultraljudshomogenisatorer för laboratorier används för volymer från 1,5 ml till ca 2 liter och är idealiska för R+D-stadiet av bläckformuleringar samt för kvalitetstester. Dessutom gör genomförbarhetstester i laboratoriet det möjligt att välja den storlek på utrustningen som krävs för kommersiell produktion exakt.
Industriella ultraljudsdispergiller används i produktionen för batcher från 0,5 till ca 2000L eller flödeshastigheter från 0,1L till 20m³ per timme. Till skillnad från andra dispergerings- och malningstekniker kan ultraljud enkelt skalas upp eftersom alla viktiga processparametrar kan skalas linjärt.

Tabellen nedan visar allmänna ultraljudsapparat rekommendationer beroende på batchvolym eller flödeshastighet som ska bearbetas.

 
Hur fungerar ultraljudsdispergitörer? – Arbetsprincipen för akustisk kavitation
Ultraljudskavitation är en process som använder högfrekventa ljudvågor för att generera små gasbubblor i en vätska. När bubblorna utsätts för högt tryck kan de kollapsa eller implodera, vilket frigör en explosion av energi. Denna energi kan användas för att dispergera partiklar i vätskan och bryta ner dem i mindre storlekar.
Vid ultraljudskavitation genereras ljudvågorna av en ultraljudsgivare, som vanligtvis är monterad på en sond eller ett horn. Givaren omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi i form av ljudvågor, som sedan överförs till vätskan genom sonden eller hornet. När ljudvågorna når vätskan skapar de högtrycksvågor som kan få gasbubblorna att implodera.
Det finns flera potentiella tillämpningar för ultraljudskavitation i dispersionsprocesser, inklusive produktion av emulsioner, dispersion av pigment och fyllmedel och deagglomerering av partiklar. Ultraljudskavitation kan vara ett effektivt sätt att dispergera partiklar eftersom det kan generera höga skjuvkrafter och energitillförsel samt andra viktiga processparametrar som temperatur och tryck kan kontrolleras exakt, vilket gör det möjligt att skräddarsy processen efter applikationens specifika behov. Denna exakta processkontroll är en av de framträdande fördelarna med ultraljudsbehandling eftersom högkvalitativa produkter kan vara tillförlitliga och reproducerbart produceras och eventuell oönskad nedbrytning av partiklar eller vätska undviks.

Robust och lätt att rengöra

En ultraljudsreaktor består av reaktorkärlet och ultraljudssonotroden. Detta är den enda delen, som är utsatt för slitage och den kan enkelt bytas ut inom några minuter. Oscillationsfrikopplingsflänsar gör det möjligt att montera sonotroden i öppna eller stängda trycksättningsbara behållare eller flödesceller i vilken riktning som helst. Inga lager behövs. Flödescellsreaktorer är i allmänhet gjorda av rostfritt stål och har enkla geometrier och kan lätt demonteras och torkas ut. Det finns inga små öppningar eller dolda hörn.

Ultraljudsrengörare på plats

Ultraljudsintensiteten som används för dispergeringsapplikationer är mycket högre än för typisk ultraljudsrengöring. Därför kan ultraljudskraften användas för att underlätta rengöring under spolning och sköljning, eftersom ultraljudskavitationen tar bort partiklar och vätskerester från sonotroden och från flödescellväggarna.