อัลตราซาวนด์สำหรับการกระจายตัวและการบด: สีและเม็ดสี

อัลตราซาวนด์กำลังสูงเป็นที่รู้จักอย่างดีในด้านผลการบดและการกระจายตัวที่เข้มข้นและควบคุมได้อย่างแม่นยำ จึงทำให้เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตเพสต์เม็ดสีและสูตรสี เครื่องอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมให้การกระจายขนาดอนุภาคที่สม่ำเสมอสูงในช่วงไมครอนและนาโน ใช้เครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher แปรรูปกระแสของไหลความหนืดสูงที่มีปริมาณมาก เพื่อให้เกิดการเปียก การกระจายตัว การสลายกลุ่มอนุภาค และการบดอย่างสม่ำเสมอ!

การผลิตสีด้วยอัลตราซาวนด์

ปรับปรุงสีทา สี และสารเคลือบของคุณด้วยการโซนิเคชัน:

• สูตร: ไม่ว่าจะมีความหนืดสูง มีปริมาณอนุภาคสูง ใช้น้ำหรือตัวทำละลายเป็นฐาน – เครื่องอัลตราโซนิกแบบอินไลน์ระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher สามารถแปรรูปได้ทุกสูตร
• ขนาดระดับไมครอนและนาโน: แรงเฉือนสูงที่เกิดจากคาวิเทชันทางเสียงช่วยลดเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคให้มีขนาดเล็กมากและทำให้เกิดการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ การปรับพารามิเตอร์ของการใช้อัลตราซาวนด์ให้สอดคล้องกับข้อกำหนดด้านอนุภาคและสูตรของคุณช่วยให้ผลิตเม็ดสีขนาดนาโนได้อย่างเชื่อถือได้
• สมบัติทางแสง: เพื่อให้ได้สมบัติทางแสงที่ถูกต้อง จำเป็นต้องควบคุมขนาดอนุภาคของเม็ดสี โดยทั่วไป ความทึบแสงสัมพันธ์กับขนาดอนุภาค: ยิ่งอนุภาคมีขนาดละเอียดมากเท่าใด ความทึบแสงก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น TiO2 ได้รับการแปรรูปโดยเฉพาะให้มีขนาดอนุภาค 0.20 ถึง 0.3 ไมครอน ซึ่งเทียบเท่ากับประมาณครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นแสง การใช้อัลตราซาวนด์ลดขนาดเม็ดสี TiO2 ให้มีขนาดที่เหมาะสมที่สุด จึงให้การปกปิดสูงสุด
• อนุภาคสมรรถนะสูง: ขนาดอนุภาคที่เล็กลงทำให้ความอิ่มตัวของสี ความสม่ำเสมอของสี และความคงตัวเพิ่มขึ้น แรงอัลตราซาวนด์ที่เข้มข้นแต่ควบคุมได้อย่างแม่นยำช่วยให้ผลิตอนุภาคนาโนที่ผ่านการดัดแปรและการปรับหมู่ฟังก์ชันได้ เช่น อนุภาคเคลือบผิว SWNTs, MWCNTs และอนุภาคแบบแกน–เปลือก อนุภาคเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะที่โดดเด่น และยกระดับคุณภาพและสมรรถนะของสูตรสีหรือสารเคลือบไปอีกขั้น (เช่น ความทนทานต่อรังสี UV ความทนทานต่อรอยขีดข่วน ความแข็งแรง ความสามารถในการยึดเกาะ ความทนทานต่อความร้อนสูง และความสามารถในการสะท้อนรังสีอินฟราเรดและรังสีจากดวงอาทิตย์)
• อนุภาคดัดแปร: เม็ดสีที่ผ่านการดัดแปรพื้นผิวมีความหนืดต่ำมากแม้มีปริมาณเม็ดสีสูง (2.5cP ที่ปริมาณของแข็ง 10%) มีความคงตัวของสารแขวนลอยที่เหนือกว่าและมีความบริสุทธิ์สูง การปรับหมู่ฟังก์ชันของอนุภาคโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยให้สังเคราะห์เม็ดสีสมรรถนะสูงที่มีลักษณะพิเศษได้ง่าย

เพสต์เม็ดสีที่ผ่านการบดและการกระจายตัวด้วยคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์และแรงเฉือนสูงแสดงให้เห็นการลดขนาดอย่างมีนัยสำคัญและการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ กราฟด้านบนแสดงให้เห็นว่าการลดขนาดเพิ่มขึ้นเมื่อพลังงานอัลตราซาวนด์เพิ่มขึ้น

ในการผลิตสี ต้องผสมส่วนประกอบต่าง ๆ เช่น เม็ดสี สารยึดเกาะ/สารก่อฟิล์ม สารเจือจาง/ตัวทำละลาย เรซิน สารเติมเต็ม และสารเติมแต่งเข้าด้วยกันให้เป็นสูตรที่เป็นเนื้อเดียวกัน เม็ดสีเป็นส่วนประกอบหลักที่กำหนดสีของสีทา เม็ดสีขาวที่สำคัญที่สุดคือ TiO2 ซึ่งต้องบดให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาคที่เหมาะสมที่สุดระหว่าง 0.2 และ 0.3 ไมครอน เพื่อให้ได้ระดับความขาว ความสว่าง ความทึบแสงที่ต้องการ และดัชนีหักเหที่สูงมาก แรงเฉือนจากอัลตราซาวนด์ช่วยสลายกลุ่มอนุภาคและกระจายอนุภาค TiO2 ได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงและใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมาก (ดูภาพด้านล่าง)

ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) ของสารแขวนลอยอนุภาคนาโน TiO2 ที่กระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์ ณ ความเข้มข้นของของแข็งต่างกัน การโซนิเคชันดำเนินการโดยใช้ เครื่องอัลตราโซนิก UIP1000hdT
ซ้าย: พลังงานอัลตราซาวนด์ที่ป้อนเข้า 1.8 × 10⁵ J/L – ขวา: พลังงานอัลตราซาวนด์ที่ป้อนเข้า 5.4 × 10⁵ J/L
(การศึกษาและภาพ: ©Fasaki et al., 2012)

 
การบดและการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยยกระดับคุณภาพสี โดยปรับปรุงความเข้มของสี ความหนาแน่น ความละเอียดของการบด การกระจายตัว และสมบัติทางรีโอโลยี

สภาวะการกระจายตัวและการบดด้วยอัลตราซาวนด์

คุณภาพของสีและสารเคลือบขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของเม็ดสีอย่างสม่ำเสมอ Hielscher Ultrasonics จัดหาอุปกรณ์บดที่มีประสิทธิภาพสำหรับการกระจายตัวของสี โดยเฉพาะสูตรที่มีปริมาณเม็ดสีสูง กลไกของเครื่องกระจายตัวอัลตราโซนิกสำหรับการบด การสลายกลุ่มอนุภาค และการกระจายตัว อาศัยหลักการเฉือนที่เกิดจากคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์เป็นหลัก แรงเฉือนจากคาวิเทชันที่จำเป็นต่อการแยกอนุภาคเกิดจากความแตกต่างของความดันสูง จุดร้อนเฉพาะบริเวณ และลำของเหลวพุ่ง ซึ่งทำให้อนุภาคแตกตัวจากการชนกันระหว่างอนุภาค
เครื่องกระจายตัวอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรม เช่น UIP16000hdT ที่มีกำลัง 16,000 วัตต์ต่อโพรบอัลตราโซนิก สามารถแปรรูปกระแสของไหลสีและสารเคลือบที่มีปริมาณมากได้

สีชอล์กที่ผ่านการโซนิเคชันบนเครื่องวัดความละเอียดแสดงให้เห็นการสลายกลุ่มอนุภาคและการกระจายขนาดอนุภาคของเม็ดสีที่สม่ำเสมออย่างสมบูรณ์

การกระจายตัวของอนุภาคนาโน

การบดและการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์มักเป็นวิธีเดียวที่แปรรูปอนุภาคนาโนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้ได้อนุภาคปฐมภูมิที่กระจายตัวแยกกันเป็นรายอนุภาค อนุภาคปฐมภูมิขนาดเล็กมีพื้นที่ผิวมาก และสัมพันธ์กับการแสดงลักษณะเฉพาะและสมรรถนะที่เป็นเอกลักษณ์ของอนุภาค ในขณะเดียวกัน ขนาดอนุภาคที่เล็กลงสัมพันธ์กับพลังงานผิวที่สูง ซึ่งทำให้เกิดการรวมตัวและความไวต่อปฏิกิริยาที่มากขึ้น จึงจำเป็นต้องใช้แรงกระจายตัวจากอัลตราซาวนด์ที่เข้มข้นเพื่อกระจายอนุภาคนาโนให้สม่ำเสมอในสูตร
นอกจากนี้ การปรับสภาพพื้นผิวด้วยอัลตราซาวนด์ยังสามารถดัดแปรอนุภาคนาโน ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการกระจายตัว ความคงตัวของการกระจายตัว ความไม่ชอบน้ำ และสมบัติอื่น ๆ
นักวิจัยแนะนำให้ใช้วิธีการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่ควรเลือกสำหรับอนุภาคนาโน “เนื่องจากวัสดุที่กระจายตัวด้วยวิธีอัลตราซาวนด์มีความบริสุทธิ์สูงกว่าวัสดุที่ได้จากการบดด้วยเม็ดบีดมาก” [Kim et al. 2010].

เทคนิคการกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์มีข้อได้เปรียบหลายประการเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการบดแบบดั้งเดิม เช่น เครื่องบดสามลูกกลิ้ง เครื่องบดลูกบอล หรือเครื่องบดที่ใช้ตัวกลางในการบด

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและการกระจายตัวของเม็ดสีและสารให้สีด้วยอัลตราซาวนด์สำหรับมาสเตอร์แบตช์และสูตรสี!

เอกสารวิชาการ / เอกสารอ้างอิง

• 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.