Dispersiyon ve Öğütme için Ultrason: Boya ve Pigmentler

Güç ultrasonu, yoğun ve hassas biçimde kontrol edilebilen öğütme ve dispersiyon etkileriyle iyi bilinir. Bu özellik, ultrasonik homojenizatörleri pigment pastası ve boya formülasyonlarının üretimi için ideal kılar. Endüstriyel sonikatörler, mikron ve nano aralıklarında son derece homojen bir parçacık boyutu dağılımı sağlar. Homojen ıslatma, dispersiyon, deaglomerasyon ve öğütme elde etmek için yüksek viskoziteli, büyük hacimli akışları Hielscher sonikatörleriyle işleyin!

Ultrason ile Boya Üretimi

Boyalarınızı, Renklendiricilerinizi ve Kaplamalarınızı Sonikasyon ile İyileştirin:

• Formülasyon: Yüksek viskoziteli, yüksek parçacık yüklü, su bazlı veya çözücü bazlı olsun – Hielscher endüstriyel hat içi sonikatörleriyle her türlü formülasyonu işleyebilirsiniz.
• Mikron ve Nano Boyut: Akustik kavitasyonun oluşturduğu yüksek kesme kuvvetleri, parçacıkları çok küçük çaplara indirger ve homojen bir dispersiyon sağlar. Ultrasonikasyon parametrelerinin parçacık ve formülasyon gereksinimlerinize göre ayarlanması, nano boyutlu pigmentlerin güvenilir biçimde üretilmesini sağlar.
• Optik Özellikler: Doğru optik özellikleri elde etmek için pigment parçacık boyutunun kontrol edilmesi gerekir. Genellikle opaklık, parçacık boyutuyla ilişkilidir: parçacık boyutu küçüldükçe opaklık artar. Örneğin TiO2, özellikle 0,20 ile 0,3 mikron arasında bir parçacık boyutuna ulaşacak şekilde işlenir; bu boyut, ışığın dalga boyunun yaklaşık yarısına eşdeğerdir. Ultrasonikasyon, TiO2 pigmentlerini optimum boyutlarına indirger ve böylece en yüksek örtücülük elde edilir.
• Yüksek Performanslı Parçacıklar: Daha küçük parçacık boyutları, daha yüksek renk doygunluğu, renk tutarlılığı ve kararlılık sağlar. Yoğun, ancak hassas biçimde kontrol edilebilen ultrason kuvvetleri; kaplanmış parçacıklar, SWNT’ler, MWCNT’ler ve çekirdek-kabuk parçacıkları gibi modifiye edilmiş ve işlevselleştirilmiş nanoparçacıkların üretilmesini sağlar. Bu tür parçacıklar benzersiz özellikler sergiler ve boya veya kaplama formülasyonlarını kalite ve işlevsellik açısından yeni bir düzeye taşır (ör. UV direnci, çizilme direnci, mukavemet, yapışkanlık, yüksek ısı direnci, kızılötesi ışınım ve güneş ışınımı yansıtıcılığı).
• Modifiye Edilmiş Parçacıklar: Yüzeyi modifiye edilmiş pigmentler, yüksek pigment yüklemelerinde çok düşük viskoziteye (%10 katı madde içeriğinde 2,5cP), üstün süspansiyon kararlılığına ve yüksek saflığa sahiptir. Ultrason destekli parçacık işlevselleştirmesi, özel özelliklere sahip yüksek performanslı pigmentlerin sentezlenmesini kolaylaştırır.

Ultrason kavitasyonu ve yüksek kesme kuvvetleri kullanılarak öğütülen ve disperse edilen pigment pastaları, belirgin bir boyut küçülmesi ve homojen bir dağılım gösterir. Yukarıdaki grafik, ultrasonik enerji arttıkça boyut küçülmesinin arttığını gösterir.

Boya üretiminde pigmentler, bağlayıcılar/ film oluşturucular, seyrelticiler/ çözücüler, reçineler, dolgu maddeleri ve katkı maddeleri gibi bileşenlerin homojen bir formülasyon oluşturacak şekilde karıştırılması gerekir. Pigmentler, boyaya rengini veren belirleyici bileşendir. En önemli beyaz pigment TiO2’dir; istenen beyazlık, parlaklık ve opaklık derecesini ve çok yüksek bir kırılma indisini elde etmek için çapı 0,2 ile 0,3 mikron arasında olan optimum parçacık boyutuna kadar öğütülmesi gerekir. Ultrasonik kesme kuvvetleri, TiO2 parçacıklarının çok etkili ve enerji açısından verimli biçimde deaglomerasyonunu ve dispersiyonunu sağlar (aşağıdaki görsele bakın).

Farklı katı madde konsantrasyonlarına sahip, ultrasonik olarak disperse edilmiş TiO2 nanoparçacık süspansiyonunun TEM görüntüleri. Sonikasyon için UIP1000hdT sonikatörü kullanılmıştır
Sol: ultrasonik enerji girdisi 1,8 × 10⁵ J/L – Sağ: ultrasonik enerji girdisi 5,4 × 10⁵ J/L
(Çalışma ve görseller: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ultrasonik öğütme ve dispersiyon, boyanın renklendirme gücünü, yoğunluğunu, öğütme inceliğini, dispersiyonunu ve reolojisini iyileştirerek boya kalitesini artırır.

Ultrasonik Dispersiyon ve Öğütme Koşulları

Boyaların ve kaplamaların kalitesi, pigmentlerin homojen dispersiyonuna bağlıdır. Hielscher Ultrasonics, özellikle yüksek pigment yüklü formülasyonlar için boya dispersiyonunda etkili öğütme ekipmanları sağlar. Ultrasonik dispersiyon cihazlarının öğütme, deaglomerasyon ve dispersiyon uygulamalarındaki mekanizması, esas olarak ultrasonik kavitasyonun oluşturduğu kesme ilkesine dayanır. Parçacıkların ayrışması için gerekli kavitasyon kaynaklı kesme kuvvetleri; yüksek basınç farkları, yerel sıcak noktalar ve sıvı jetleri tarafından oluşturulur ve parçacıklar arası çarpışmalar yoluyla parçacıkların parçalanmasını sağlar.
Ultrasonik prob başına 16.000 watt güce sahip UIP16000hdT gibi endüstriyel ultrasonik dispersiyon cihazları, büyük hacimli boya ve kaplama akışlarını işleme kapasitesine sahiptir.

Grindometre üzerindeki sonikasyon uygulanmış tebeşir boyası, pigmentlerin kusursuz derecede homojen deaglomerasyonunu ve parçacık boyutu dağılımını gösterir

Nanoparçacıkların Dispersiyonu

Ultrasonik öğütme ve dispersiyon, tek tek disperse edilmiş birincil parçacıklar elde etmek amacıyla nanoparçacıkları verimli biçimde işlemek için çoğu zaman tek yöntemdir. Küçük bir birincil parçacık boyutu, geniş bir yüzey alanı sağlar ve benzersiz parçacık özelliklerinin ve işlevlerinin ortaya çıkmasıyla ilişkilidir. Aynı zamanda, daha küçük parçacık boyutu, daha yoğun agregasyona ve reaktiviteye yol açan yüksek bir yüzey enerjisiyle ilişkilidir; bu nedenle nanoparçacıkları formülasyonda homojen biçimde disperse etmek için yoğun ultrasonik dispersiyon kuvvetleri gerekir.
Ayrıca, ultrasonik yüzey işlemi nanoparçacıkları modifiye ederek disperse edilebilirliği, dispersiyon kararlılığını, hidrofobikliği ve diğer özellikleri iyileştirebilir.
Araştırmacılar, nanoparçacıklar için ultrasonik dispersiyon yöntemini tercih edilen çözüm olarak önermiştir; “çünkü ultrasonik yöntemle disperse edilen malzeme, boncuklu değirmende öğütme yoluyla üretilenden çok daha saftır.” [Kim et al. 2010].

Ultrasonik dispersiyon tekniği, üç valsli, bilyalı veya öğütme ortamlı değirmenler gibi geleneksel öğütme teknolojilerine kıyasla birçok avantaja sahiptir.

Masterbatch’ler ve boya formülasyonları için pigmentlerin ve renklendiricilerin ultrasonik homojenizasyonu ve dispersiyonu hakkında daha fazla bilgi edinin!

Literatür / Kaynaklar

• 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.