Ультразвук для диспергування та подрібнення: фарби та пігменти

Потужний ультразвук добре відомий своїми інтенсивними та точно керованими ефектами подрібнення та диспергування. Це робить ультразвукові гомогенізатори ідеальними для виробництва пігментних паст і фарбових композицій. Промислові ультразвукові обробники забезпечують високооднорідний розподіл частинок за розміром у мікро- та нанодіапазоні. Обробляйте великі потоки рідин із високою в’язкістю за допомогою ультразвукових обробників Hielscher, щоб досягти однорідного змочування, диспергування, дезагрегації та подрібнення!

Виробництво фарб за допомогою ультразвуку

Покращуйте свої фарби, кольори та покриття за допомогою ультразвукової обробки:

• Формуляція: Незалежно від високої в’язкості, високого навантаження частинок, водної або розчинної основи – з промисловими потоковими ультразвуковими обробниками Hielscher ви можете обробляти будь-яку формуляцію.
• Мікро- та нанорозмір: Високі зсувні сили, що генеруються акустичною кавітацією, зменшують частинки до мінімальних діаметрів і забезпечують однорідну дисперсію. Налаштування параметрів ультразвукової обробки відповідно до ваших вимог до частинок і формуляції дозволяє надійно виробляти нанорозмірні пігменти.
• Оптичні властивості: Для отримання правильних оптичних властивостей необхідно контролювати розмір частинок пігменту. Зазвичай непрозорість корелює з розміром частинок: чим дрібніші частинки, тим вища непрозорість. Наприклад, TiO2 спеціально обробляють до розміру частинок від 0,20 до 0,3 мікрона, що приблизно відповідає половині довжини хвилі світла. Ультразвукова обробка зменшує пігменти TiO2 до їх оптимального розміру, так що досягається максимальна укривистість.
• Високоефективні частинки: Менші розміри частинок призводять до більшої насиченості кольору, однорідності та стабільності кольору. Інтенсивні, але точно керовані ультразвукові сили дозволяють виробляти модифіковані та функціоналізовані наночастинки, такі як покриті частинки, SWNT, MWCNT та частинки типу «ядро-оболонка». Такі частинки демонструють унікальні характеристики та виводять формуляції фарб або покриттів на новий рівень якості та функціональності (наприклад, стійкість до УФ, стійкість до подряпин, міцність, адгезивність, висока термостійкість, інфрачервоне та сонячне відбивання).
• Модифіковані частинки: Пігменти з модифікованою поверхнею мають дуже низьку в’язкість при високому навантаженні пігментом (2,5cP при 10% твердих речовин), чудову стабільність суспензії та високу чистоту. Функціоналізація частинок за допомогою ультразвуку спрощує синтез високоефективних пігментів зі спеціальними характеристиками.

Пігментні пасти подрібнюються та диспергуються за допомогою ультразвукової кавітації та високих зсувних сил, що демонструє значне зменшення розміру та однорідний розподіл. Графік вище показує збільшення зменшення розміру зі збільшенням ультразвукової енергії.

Для виробництва фарб компоненти, такі як пігменти, в’яжучі/ плівкоутворювачі, розріджувачі/ розчинники, смоли, наповнювачі та добавки, повинні бути змішані разом у однорідну формуляцію. Пігменти є визначальним компонентом, який надає фарбі її колір. Найважливішим білим пігментом є TiO2, який потрібно подрібнити до оптимального розміру частинок від 0,2 до 0,3 мікрона в діаметрі, щоб показати бажаний рівень білизни, яскравості, непрозорості та дуже високий показник заломлення. Ультразвукові зсувні сили забезпечують дуже ефективну та енергоефективну дезагрегацію та дисперсію частинок TiO2 (див. зображення нижче).

Просвічувальна електронна мікроскопія (TEM) суспензії наночастинок TiO2, диспергованих за допомогою ультразвуку, з різними концентраціями твердих речовин. Ультразвукову обробку виконували за допомогою ультразвукового обробника UIP1000hdT
Ліворуч: вхід ультразвукової енергії 1,8 × 10⁵ J/L – Праворуч: вхід ультразвукової енергії 5,4 × 10⁵ J/L
(Дослідження та зображення: ©Fasaki et al., 2012)

 
Ультразвукове подрібнення та диспергування підвищують якість фарби, покращуючи її колірну інтенсивність, щільність, тонкість подрібнення, дисперсію та реологію.

Умови ультразвукового диспергування та подрібнення

Якість фарб і покриттів залежить від однорідної дисперсії пігментів. Hielscher Ultrasonics постачає ефективне обладнання для подрібнення та диспергування фарб, особливо для формуляцій з високим навантаженням пігментом. Механізм ультразвукових диспергаторів для застосувань подрібнення, дезагрегації та дисперсії базується переважно на принципі зсуву, що генерується ультразвуковою кавітацією. Кавітаційні зсувні сили, необхідні для дисоціації частинок, створюються високими різницями тиску, локальними гарячими точками та рідкими струменями, що призводить до руйнування частинок через зіткнення між частинками.
Промислові ультразвукові диспергатори, такі як UIP16000hdT з потужністю 16 000 ват на ультразвуковий зонд, мають можливість обробляти великі потоки фарб і покриттів.

Фарба з крейдою, оброблена ультразвуком, на гріндометрі демонструє ідеально однорідну дезагрегацію та розподіл частинок пігментів за розміром

Дисперсія наночастинок

Ультразвукове подрібнення та диспергування часто є єдиним методом ефективної обробки наночастинок для отримання індивідуально диспергованих первинних частинок. Малий розмір первинних частинок призводить до великої площі поверхні та корелює з проявом унікальних характеристик і функціональних властивостей частинок. Водночас меншому розміру частинок відповідає висока поверхнева енергія для більш інтенсивної агрегації та реакційної здатності, тому інтенсивні ультразвукові диспергуючі сили необхідні для однорідного диспергування наночастинок у формуляції.
Крім того, ультразвукова обробка поверхні може модифікувати наночастинки, що призводить до покращеної диспергованості, стабільності дисперсії, гідрофобності та інших характеристик.
Дослідники рекомендували метод ультразвукової дисперсії для наночастинок як переважне рішення, “тому що матеріал, диспергований ультразвуковим методом, набагато чистіший, ніж той, що виробляється за допомогою кульового подрібнення.” [Kim et al. 2010].

Техніка ультразвукової дисперсії має багато переваг у порівнянні з традиційними технологіями подрібнення, такими як тривальцеві, кульові або середовищні млини.

Дізнайтеся більше про ультразвукову гомогенізацію та диспергування пігментів і барвників для майстер-партій і фарбових формуляцій!

Література / Посилання

• 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.