Storleksreduktion av bläck med ultraljud (t.ex. för bläckstråleutskrift)

Ultraljudskavitation är en effektiv metod för dispergering och mikromalning (våtmalning) av bläckpigment. Ultraljudsdispergerare används framgångsrikt inom såväl forskning som industriell tillverkning av UV-, vatten- eller lösningsmedelsbaserade bläckstrålebläck.

Nanodispergerade bläckstrålebläck

Ultraljud är mycket effektivt för storleksreduktion av partiklar i intervallet från 500µm ned till cirka 10nm.
När ultraljudsbehandling används för att dispergera nanopartiklar i bläckstrålebläck kan bläckets färgomfång, beständighet och utskriftskvalitet förbättras avsevärt. Därför används ultraljudsapparater av sondtyp i stor utsträckning vid tillverkning av bläckstrålebläck som innehåller nanopartiklar, specialbläck (t.ex. ledande bläck, bläck för 3D-utskrift och tatueringsbläck) samt färger.
 

Diagrammen nedan visar ett exempel på svarta pigment i bläckstrålebläck utan ultraljudsbehandling jämfört med ultraljudsdispergerade pigment. Ultraljudsbehandlingen utfördes med ultraljudssonden UIP1000hdT. Resultatet av ultraljudsbehandlingen är en synligt mindre partikelstorlek och en mycket snäv partikelstorleksfördelning.

Ultraljudsdispergering ger betydligt mindre och mer enhetliga bläckpigment. (grön kurva: före ultraljudsbehandling – röd kurva: efter ultraljudsbehandling)

Hur förbättrar ultraljudsdispergering kvaliteten på bläckstrålebläck?

Högintensiva ultraljudsapparater är mycket effektiva för dispergering, storleksreduktion och jämn fördelning av nanopartiklar.
Det innebär att dispergering av nanopartiklar med ultraljud i bläckstrålebläck kan förbättra dess prestanda och beständighet. 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 bläckstrålebläckets färgomfång, vilket avser det omfång av färger som kan återges. När nanopartiklar dispergeras jämnt med en ultraljudsapparat av sondtyp ger bläcket följaktligen mer livfulla 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 utsmetning. Detta beror på att nanopartiklar kan binda starkare till papperet eller andra substrat, vilket skapar en mer beständig bild med längre livslängd. Dessutom kan nanopartiklar förhindra att bläcket flyter ut i papperet, vilket kan orsaka utsmetning och minska den utskrivna bildens skärpa.
• Slutligen kan ultraljudsdispergerade nanopartiklar också förbättra bläckstrålebläckets utskriftskvalitet och upplösning. Ultraljudsdispergerare 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 ger skarpare och tydligare bilder. Detta är särskilt viktigt vid tillämpningar som högkvalitativa fotoutskrifter och konstutskrifter.

Kontroll över processparametrar och dispergeringsresultat

Bläckpigmentens partikelstorlek och partikelstorleksfördelning påverkar många produktegenskaper, såsom färgstyrka och utskriftskvalitet. Vid bläckstråleutskrift kan en liten mängd större partiklar leda till instabilitet i dispersionen, sedimentering eller fel på bläckstrålemunstycken. Därför är det viktigt för bläckstrålebläckets kvalitet att ha god kontroll över den storleksreduktionsprocess som används i produktionen.

Inlinebearbetning av nanodispersioner för bläckstrålebläck

Hielschers ultraljudsreaktorer används vanligen i inline-drift. Bläckstrålebläcket pumpas in i reaktorbehållaren. Där utsätts det för ultraljudskavitation med kontrollerad intensitet. Exponeringstiden bestäms av reaktorvolymen och materialets matningsflöde. Inline-behandling med ultraljud eliminerar förbipassering eftersom alla partiklar passerar genom reaktorkammaren längs en definierad väg. Eftersom alla partiklar utsätts för identiska ultraljudsparametrar under lika lång tid i varje cykel, gör ultraljudsbehandling vanligtvis fördelningskurvan smalare och förskjuter den snarare än att bredda den. Ultraljudsdispergering ger relativt symmetriska partikelstorleksfördelningar. Generellt kan högersvansning – en negativ skevhet i kurvan som orsakas av en förskjutning mot det grova materialet (”svans” till höger) – inte observeras i ultraljudsbehandlade prover.

Dispergering vid kontrollerade temperaturer: processkylning

För temperaturkänsliga bärarmedier erbjuder Hielscher mantlade flödescellsreaktorer för alla laboratorie- och industriapparater. Genom att kyla reaktorns innerväggar kan processvärmen avledas effektivt.

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

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

Dispergering och deagglomerering av bläckstrålebläck i alla skalor

Hielscher tillverkar ultraljudsutrustning för dispergering för bearbetning av bläck i alla volymer. Ultraljudshomogenisatorer för laboratorier används för volymer från 1,5mL till cirka 2L och är idealiska för forskning och utveckling av bläckformuleringar samt för kvalitetstester. Dessutom gör genomförbarhetstester i laboratoriet det möjligt att noggrant välja den utrustningsstorlek som krävs för kommersiell produktion.
Industriella ultraljudsdispergerare används i produktionen för satser från 0,5 till cirka 2000L eller flöden från 0,1L till 20m³ per timme. Till skillnad från andra dispergerings- och malningstekniker kan ultraljudsbehandling enkelt skalas upp eftersom alla viktiga processparametrar kan skalas linjärt.

Tabellen nedan visar allmänna rekommendationer för ultraljudsapparater utifrån den satsvolym eller det flöde som ska bearbetas.

 
Hur fungerar ultraljudsdispergerare? – Funktionsprincipen för akustisk kavitation
Ultraljudskavitation är en process som använder högfrekventa ljudvågor för att skapa små gasbubblor i en vätska. När bubblorna utsätts för högt tryck kan de kollapsa, eller implodera, och frigöra en energipuls. Denna energi kan användas för att dispergera partiklar i vätskan och bryta ned dem till mindre storlekar.
Vid ultraljudskavitation genereras ljudvågorna av en ultraljudsomvandlare, som vanligtvis är monterad på en sond eller ett horn. Omvandlaren 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 dispergeringsprocesser, däribland framställning av emulsioner, dispergering av pigment och fyllmedel samt deagglomerering av partiklar. Ultraljudskavitation kan vara ett effektivt sätt att dispergera partiklar eftersom den kan generera höga skjuvkrafter och hög energitillförsel, samtidigt som andra viktiga processparametrar såsom temperatur och tryck kan kontrolleras exakt, vilket gör det möjligt att anpassa processen till tillämpningens specifika behov. Denna exakta processtyrning är en av de framträdande fördelarna med ultraljudsbehandling, eftersom högkvalitativa produkter kan framställas tillförlitligt och reproducerbart och all oönskad nedbrytning av partiklar eller vätska undviks.

Robust och lätt att rengöra

En ultraljudsreaktor består av reaktorkärlet och ultraljudssonotroden. Sonotroden är den enda delen som utsätts för slitage, och den kan enkelt bytas ut inom några minuter. Vibrationsfrikopplande flänsar gör det möjligt att montera sonotroden i öppna eller slutna trycksättningsbara behållare eller flödesceller i valfri orientering. Inga lager behövs. Flödescellsreaktorer är i allmänhet tillverkade av rostfritt stål, har enkla geometrier och kan enkelt demonteras och torkas ur. Det finns inga små öppningar eller dolda hörn.

Rengöring på plats med ultraljud

Ultraljudsintensiteten som används vid dispergering är mycket högre än vid vanlig ultraljudsrengöring. Därför kan ultraljudseffekten användas för att underlätta rengöring vid genomspolning och sköljning, eftersom ultraljudskavitationen avlägsnar partiklar och vätskerester från sonotroden och flödescellens väggar.