Ultraljud kavitation är ett effektivt medel för spridning och mikroslipning (våt fräsning) av bläckpigment. Ultraljud dispersorer används framgångsrikt i forskning samt industriell tillverkning av UV-, vatten- eller lösningsmedelsbaserade bläckstråleskrivare.

Nanodispergerade bläckstråleskrivare

Ultraljud är mycket effektivt i storleksminskningen av partiklar i intervallet från 500μm ner till ca. 10nm.
När ultraljud används för att sprida nanopartiklar i bläckstrålebläck, bläck färgskala, hållbarhet, och utskriftskvalitet kan förbättras avsevärt. Därför används sond-typ ultrasonicators i stor utsträckning vid tillverkning av nanopartikelhaltiga bläckstråleskrivare, specialfärger (t.ex. ledande bläck, 3D-utskrivbara bläck, tatueringsfärger) och färger.
 

Graferna nedan visar ett exempel för icke-sonicated vs ultraljud-dispergerade svarta pigment i bläckstråleskrivare. Ultraljudsbehandling utfördes med ultraljudssonden UIP1000hdT. Resultatet av ultraljudsbehandlingen är en synligt mindre partikelstorlek och en mycket smal partikelstorleksfördelning.

Ultraljud dispersion resulterar i betydligt mindre och mer enhetliga bläckpigment. (Grön graf: före ultraljudsbehandling – röd graf: efter ultraljudsbehandling)

Hur förbättrar ultraljudsdispersion bläckstrålekvaliteten?

Högintensiva ultrasonicators är mycket effektiva för spridning, storleksminskning och enhetlig fördelning av nanopartiklar.
Detta innebär att ispersing nanopartiklar med ultraljud i bläckstråleskrivare 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 färgskalan för bläckstrålebläck, vilket hänvisar till det utbud av färger som kan produceras. När nanopartiklar är jämnt dispergerade med en sond-typ ultrasonicator, uppvisar bläcket följaktligen mer levande och mättade färger. Detta beror på att nanopartiklar kan sprida och reflektera ljus på 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 smuts. Detta beror på att nanopartiklar kan binda starkare med papperet 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, ultraljud dispergerade nanopartiklar kan också förbättra utskriftskvaliteten och upplösningen av bläckstråleskrivare. Ultraljud dispersorer är exceptionellt effektiva när det gäller fräsning och blandning nanopartiklar i vätskor. Genom att använda mindre partiklar kan bläcket skapa finare och mer exakta linjer, vilket resulterar i skarpare och tydligare bilder. Detta är särskilt viktigt i applikationer som högkvalitativ fotoutskrift och konstutskrift.

Kontroll över processparametrar och spridningsresultat

Partikelstorlek och partikelstorleksfördelning av bläck pigment påverkar många produktegenskaper, såsom färgning styrka eller tryckkvalitet. När det gäller bläckstråleskrivare utskrift en liten mängd större partiklar kan leda till dispersion instabilitet, sedimentering eller bläckstråle munstycke misslyckande. Av denna anledning är det viktigt för bläckstråle bläck kvalitet att ha en god kontroll över den storleksminskning process som används i produktionen.

Inline-bearbetning av nanodispersioner för bläckstråleskrivare

Hielscher ultraljud reaktorer används ofta in-line. Bläckstrålebläcket pumpas in i reaktorkärlet. Där utsätts den för ultraljud kavitation vid en kontrollerad intensitet. Exponeringstiden är ett resultat av reaktorvolymen och materialets matningshastighet. Inline ultraljudsbehandling eliminerar förbikoppling eftersom alla partiklar passerar reaktorkammaren efter en definierad väg. Eftersom alla partiklar utsätts för identiska ultraljudsbehandling parametrar för samma tid under varje cykel, ultraljud vanligtvis smalnar och skiftar fördelningskurvan snarare än att bredda den. Ultraljud dispersion producerar relativt symmetriska partikelstorlek fördelningar. Generellt rätt tailing – en negativ skevning av kurvan orsakad av en förskjutning till de grova materialen ("svans" till höger) – kan inte observeras på sonicated prover.

Dispersion under kontrollerade temperaturer: Processkylning

För temperatur känsliga fordon, erbjuder Hielscher mantlade flöde cell reaktorer för alla laboratorium och industriella enheter. Genom att kyla de inre reaktor väggarna, kan process värmen skingras effektivt.

Bilderna nedan visar kolsvart pigment dispergerat med ultraljudssonden UIP1000hdT i UV-bläck.

Ultraljud dispersion säkerställer en effektiv partikelstorleksminskning och jämn fördelning av kolsvarta pigment i UV-bläck.

Dispergering och deagglomerering av bläckstråleskrivare i vilken skala som helst

Hielscher gör ultraljudsspridningsutrustning för bearbetning av bläck vid vilken volym som helst. Ultraljud lab homogenisatorer används för volymer från 1.5mL till ca. 2L och är idealiska för R+D-stadiet av bläckformuleringar samt för kvalitetstester. Dessutom tillåter genomförbarhetstest i laboratoriet att välja önskad utrustningsstorlek för kommersiell produktion exakt.
Industriella ultraljud dispersorer används i produktionen för partier från 0,5 till ca 2000L eller flödeshastigheter från 0,1L till 20m³ per timme. Till skillnad från andra spridnings- och fräsningstekniker kan ultraljud enkelt skalas upp eftersom alla viktiga processparametrar kan skalas linjärt.

Tabellen nedan visar allmänna ultrasonicator rekommendationer beroende på batchvolym eller flödeshastighet som ska behandlas.

 
Hur fungerar ultraljud dispersorer? – Arbetsprincipen för akustisk kavitation
Ultraljud kavitation 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 och släppa ut en explosion av energi. Denna energi kan användas för att sprida partiklar i vätskan, bryta ner dem i mindre storlekar.
I ultraljud kavitation, ljudvågorna genereras av en ultraljudsgivare, som vanligtvis är monterad på en sond eller 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 ultraljud kavitation i dispersionsprocesser, inklusive produktion av emulsioner, dispersion av pigment och fyllmedel, och deagglomeration av partiklar. Ultraljud kavitation kan vara ett effektivt sätt att sprida partiklar eftersom det kan generera höga skjuvkrafter och energitillförsel samt andra viktiga processparametrar såsom temperatur och tryck kan kontrolleras exakt, vilket gör det möjligt att skräddarsy processen till de specifika behoven hos ansökan. Denna exakta process kontroll är en av de framträdande fördelarna med ultraljudsbehandling som högkvalitativa produkter kan vara tillförlitliga och reproducerbart produceras och någon oönskad nedbrytning av partiklar eller vätska undviks.

Robust och lätt att rengöra

En ultraljudsreaktor består av reaktorkärlet och ultraljud sonotrode. Detta är den enda delen, som utsätts för slitage och det kan enkelt bytas ut inom några minuter. Oscillation-frikopplingsflänsar tillåter att montera sonotroden i öppna eller stängda tryckbehållare eller flödesceller i vilken riktning som helst. Inga lager behövs. Flödescellreaktorer är i allmänhet gjorda av rostfritt stål och har enkla geometrier och kan enkelt demonteras och torkas ut. Det finns inga små öppningar eller dolda hörn.

Ultraljud renare på plats

Ultraljudsintensiteten som används för spridning av applikationer är mycket högre än för typisk ultraljudsrengöring. Därför ultraljud makt kan användas för att underlätta rengöring under spolning och sköljning, som ultraljud kavitation tar bort partiklar och flytande rester från sonotrode och från flödet cellväggar.