Ультразвукове зменшення розміру частинок у чорнилі (наприклад, для струменевих принтерів)

Ультразвукова кавітація є ефективним засобом для диспергування та мікроподрібнення (мокрого подрібнення) пігментів чорнила. Ультразвукові диспергатори успішно використовуються в дослідженнях, а також в промисловому виробництві чорнил для струменевих принтерів на основі УФ, води або розчинників.

Нанодисперговані чорнила для струменевих принтерів

Ультразвук дуже ефективний для зменшення розміру частинок у діапазоні від 500µm до приблизно 10nm.
Коли ультразвукова обробка використовується для диспергування наночастинок у чорнилі для струменевих принтерів, колірний охват, довговічність та якість друку чорнила можуть бути суттєво покращені. Тому ультразвукові гомогенізатори зондового типу широко використовуються у виробництві чорнил для струменевих принтерів, що містять наночастинки, спеціальних чорнил (наприклад, провідних чорнил, чорнил для 3D-друку, татуювальних чорнил) та фарб.

На графіках нижче наведено приклад чорних пігментів у чорнилі для струменевих принтерів без ультразвукової обробки та після ультразвукового диспергування. Ультразвукову обробку проводили за допомогою ультразвукового зонда UIP1000hdT. Результатом ультразвукової обробки є помітно менший розмір частинок та дуже вузький розподіл частинок за розміром.

Ультразвукове диспергування забезпечує значно менші та більш однорідні пігменти чорнила. (зелений графік: до ультразвукової обробки – червоний графік: після ультразвукової обробки)

Як ультразвукове диспергування покращує якість чорнил для струменевих принтерів?

Високоінтенсивні ультразвукові гомогенізатори є надзвичайно ефективними для диспергування, зменшення розміру та однорідного розподілу наночастинок.
Це означає, що диспергування наночастинок за допомогою ультразвуку в чорнилі для струменевих принтерів може покращити його продуктивність та довговічність. Наночастинки – це дуже малі частинки з розмірами в діапазоні від 1 до 100 нанометрів, і вони мають унікальні властивості, які можуть покращити чорнила для струменевих принтерів кількома способами.

• По-перше, наночастинки можуть покращити колірний охват чорнил для струменевих принтерів, який відноситься до діапазону кольорів, що можуть бути відтворені. Коли наночастинки однорідно дисперговані за допомогою ультразвукового гомогенізатора зондового типу, чорнило демонструє відповідно більш яскраві та насичені кольори. Це тому, що наночастинки можуть розсіювати та відбивати світло способами, недоступними для традиційних барвників та пігментів, що призводить до покращеного відтворення кольору.
• По-друге, однорідно дисперговані наночастинки можуть підвищити стійкість чорнил для струменевих принтерів до вицвітання, води та розмазування. Це тому, що наночастинки можуть міцніше зв’язуватися з папером або іншим субстратом, створюючи більш довговічне та тривале зображення. Крім того, наночастинки можуть запобігати розтіканню чорнила в папері, що може спричинити розмазування та зменшити чіткість надрукованого зображення.
• Нарешті, наночастинки, дисперговані за допомогою ультразвуку, також можуть покращити якість друку та роздільну здатність чорнил для струменевих принтерів. Ультразвукові диспергатори є надзвичайно ефективними, коли йдеться про подрібнення та змішування наночастинок у рідинах. Використовуючи менші частинки, чорнило може створювати більш тонкі та точні лінії, що призводить до чіткіших та ясніших зображень. Це особливо важливо в таких застосуваннях, як друк високоякісних фотографій та друк творів мистецтва.

Контроль над параметрами процесу та результатами диспергування

Розмір частинок та розподіл частинок за розміром пігментів чорнила впливають на багато характеристик продукту, таких як фарбувальна сила або якість друку. Коли йдеться про струменевий друк, невелика кількість більших частинок може призвести до нестабільності дисперсії, седиментації або відмови друкуючої головки струменевого принтера. Тому для якості чорнил для струменевих принтерів важливо мати хороший контроль над процесом зменшення розміру, що використовується у виробництві.

Потокова обробка нанодисперсій для чорнил струменевих принтерів

Ультразвукові реактори Hielscher зазвичай використовуються в лінії. Чорнило для струменевого друку подається насосом у корпус реактора. Там воно піддається дії ультразвукової кавітації при контрольованій інтенсивності. Час експозиції є результатом об’єму реактора та швидкості подачі матеріалу. Вбудована ультразвукова обробка усуває обхідний потік, оскільки всі частинки проходять через камеру реактора, дотримуючись визначеного шляху. Оскільки всі частинки піддаються однаковим параметрам ультразвукової обробки протягом однакового часу під час кожного циклу, ультразвукова обробка зазвичай звужує та зміщує криву розподілу, а не розширює її. Ультразвукова дисперсія створює відносно симетричні розподіли розмірів частинок. Як правило, правостороннє хвостове розширення – негативна асиметрія кривої, спричинена зміщенням до грубих матеріалів («хвіст» справа) – не спостерігається у зразках, оброблених ультразвуком.

Дисперсія під контрольованими температурами: охолодження процесу

Для температурно-чутливих носіїв Hielscher пропонує реактори з проточною коміркою в сорочці для всіх лабораторних і промислових пристроїв. Охолоджуючи внутрішні стінки реактора, можна ефективно відводити тепло процесу.

На зображеннях нижче показано пігмент технічного вуглецю, диспергований за допомогою ультразвукового зонда UIP1000hdT в УФ-чорнилі.

Ультразвукова дисперсія забезпечує ефективне зменшення розміру частинок та однорідний розподіл пігментів технічного вуглецю в УФ-чорнилі.

Диспергування та деагломерація чорнил для струменевого друку в будь-якому масштабі

Hielscher виробляє ультразвукове обладнання для диспергування для обробки чорнил у будь-якому об’ємі. Лабораторні ультразвукові гомогенізатори використовуються для об’ємів від 1,5mL до приблизно 2L і ідеально підходять для етапу R+D розробки рецептур чорнил, а також для тестування якості. Крім того, перевірка можливостей у лабораторії дозволяє точно вибрати необхідний розмір обладнання для комерційного виробництва.
Промислові ультразвукові диспергатори використовуються у виробництві для партій від 0,5 до приблизно 2000L або об’ємних витрат від 0,1L до 20m³ на годину. На відміну від інших технологій диспергування та подрібнення, ультразвукову обробку можна легко масштабувати, оскільки всі важливі параметри процесу можна масштабувати лінійно.

У таблиці нижче наведено загальні рекомендації щодо ультразвукових апаратів залежно від об’єму партії або об’ємної витрати, що обробляються.

 
Як працюють ультразвукові диспергатори? – Принцип дії акустичної кавітації
Ультразвукова кавітація – це процес, який використовує високочастотні звукові хвилі для створення малих газових бульбашок у рідині. Коли бульбашки піддаються високому тиску, вони можуть колапсувати, або імплодувати, вивільняючи сплеск енергії. Ця енергія може використовуватися для диспергування частинок у рідині, розбиваючи їх на менші розміри.
При ультразвуковій кавітації звукові хвилі генеруються ультразвуковим перетворювачем, який зазвичай кріпиться до зонда або рупора. Перетворювач перетворює електричну енергію на механічну у формі звукових хвиль, які потім передаються в рідину через зонд або рупор. Коли звукові хвилі досягають рідини, вони створюють хвилі високого тиску, які можуть спричинити імплозію газових бульбашок.
Існує кілька потенційних застосувань ультразвукової кавітації в процесах диспергування, включаючи виробництво емульсій, диспергування пігментів та наповнювачів, а також деагломерацію частинок. Ультразвукова кавітація може бути ефективним способом диспергування частинок, оскільки вона може генерувати високі зсувні сили та енерговкладення, а також інші важливі параметри процесу, такі як температура та тиск, можуть бути точно контрольовані, що дозволяє адаптувати процес до конкретних потреб застосування. Цей точний контроль процесу є однією з помітних переваг ультразвукової обробки, оскільки високоякісні продукти можуть бути надійно та відтворювано вироблені, а будь-яка небажана деградація частинок або рідини уникається.

Міцний та легкий у очищенні

Ультразвуковий реактор складається з реакторної ємності та ультразвукового сонотрода. Це єдина частина, яка піддається зносу, і її можна легко замінити за лічені хвилини. Фланці розв’язки коливань дозволяють монтувати сонотрод у відкриті або закриті контейнери, що витримують тиск, або проточні комірки в будь-якій орієнтації. Підшипники не потрібні. Реактори з проточною коміркою зазвичай виготовлені з нержавіючої сталі, мають просту геометрію і можуть легко розбиратися та очищатися. У них немає малих отворів або прихованих кутів.

Ультразвукове очищення на місці

Інтенсивність ультразвуку, що використовується для диспергування, значно вища, ніж для типового ультразвукового очищення. Тому ультразвукову потужність можна використовувати для допомоги в очищенні під час промивання та ополіскування, оскільки ультразвукова кавітація видаляє частинки та залишки рідини з сонотрода та зі стінок проточної комірки.