Giảm kích thước hạt mực bằng siêu âm (ví dụ: cho in phun)

Xâm thực siêu âm là phương pháp hiệu quả để phân tán và nghiền mịn (nghiền ướt) bột màu trong mực. Các thiết bị phân tán siêu âm được sử dụng thành công trong nghiên cứu cũng như trong sản xuất công nghiệp mực in phun UV, gốc nước hoặc gốc dung môi.

Mực in phun phân tán nano

Siêu âm rất hiệu quả trong việc giảm kích thước hạt trong phạm vi từ 500µm xuống khoảng 10nm.
Khi xử lý siêu âm được sử dụng để phân tán các hạt nano trong mực in phun, dải màu của mực, độ bền và chất lượng in có thể được cải thiện đáng kể. Do đó, các thiết bị siêu âm dạng đầu dò được sử dụng rộng rãi trong sản xuất mực in phun chứa hạt nano, mực chuyên dụng (ví dụ: mực dẫn điện, mực có thể dùng để in 3D, mực xăm) và sơn.
 

Các đồ thị dưới đây minh họa ví dụ so sánh bột màu đen chưa được xử lý siêu âm với bột màu đen được phân tán bằng siêu âm trong mực in phun. Quá trình xử lý siêu âm được thực hiện bằng đầu dò siêu âm UIP1000hdT. Kết quả xử lý siêu âm cho thấy kích thước hạt nhỏ hơn rõ rệt và phân bố kích thước hạt rất hẹp.

Phân tán bằng siêu âm tạo ra các hạt bột màu trong mực nhỏ hơn đáng kể và đồng đều hơn. (đồ thị màu xanh lá: trước khi xử lý siêu âm – đồ thị màu đỏ: sau khi xử lý siêu âm)

Phân tán bằng siêu âm cải thiện chất lượng mực in phun như thế nào?

Các thiết bị siêu âm cường độ cao có hiệu quả rất cao trong việc phân tán, giảm kích thước và phân bố đồng đều các hạt nano.
Điều này có nghĩa là việc phân tán các hạt nano bằng siêu âm trong mực in phun có thể cải thiện hiệu năng và độ bền của mực. Hạt nano là những hạt rất nhỏ có kích thước trong khoảng từ 1 đến 100 nanômét và có các đặc tính độc đáo có thể cải thiện mực in phun theo nhiều cách.

• Thứ nhất, các hạt nano có thể cải thiện dải màu của mực in phun, tức là phạm vi màu sắc có thể tạo ra. Khi các hạt nano được phân tán đồng đều bằng thiết bị siêu âm dạng đầu dò, mực nhờ đó thể hiện màu sắc sống động hơn và có độ bão hòa cao hơn. Điều này là do các hạt nano có thể tán xạ và phản xạ ánh sáng theo những cách mà thuốc nhuộm và bột màu truyền thống không thể thực hiện, giúp cải thiện khả năng tái tạo màu sắc.
• Thứ hai, các hạt nano được phân tán đồng nhất có thể tăng khả năng chống phai màu, chống nước và chống nhòe của mực in phun. Điều này là do các hạt nano có thể liên kết chặt chẽ hơn với giấy hoặc vật liệu nền khác, tạo ra hình ảnh bền hơn và giữ được lâu hơn. Ngoài ra, các hạt nano có thể ngăn mực loang vào giấy, vốn có thể gây nhòe và làm giảm độ sắc nét của hình ảnh in.
• Cuối cùng, các hạt nano được phân tán bằng siêu âm cũng có thể cải thiện chất lượng in và độ phân giải của mực in phun. Các thiết bị phân tán siêu âm có hiệu quả đặc biệt cao trong việc nghiền và trộn các hạt nano trong chất lỏng. Nhờ sử dụng các hạt nhỏ hơn, mực có thể tạo ra những đường nét mảnh hơn và chính xác hơn, mang lại hình ảnh sắc nét hơn và rõ ràng hơn. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như in ảnh chất lượng cao và in mỹ thuật.

Kiểm soát các thông số quy trình và kết quả phân tán

Kích thước hạt và phân bố kích thước hạt của bột màu trong mực ảnh hưởng đến nhiều đặc tính của sản phẩm, chẳng hạn như khả năng tạo màu hoặc chất lượng in. Trong in phun, một lượng nhỏ các hạt lớn hơn có thể dẫn đến sự mất ổn định của hệ phân tán, lắng cặn hoặc sự cố vòi phun mực. Vì lý do này, việc kiểm soát tốt quá trình giảm kích thước hạt được sử dụng trong sản xuất rất quan trọng đối với chất lượng mực in phun.

Xử lý các hệ phân tán nano cho mực in phun trên đường ống

Các thiết bị phản ứng siêu âm của Hielscher thường được sử dụng trực tiếp trên đường ống. Mực in phun được bơm vào buồng phản ứng. Tại đó, mực chịu tác động của hiện tượng xâm thực siêu âm ở cường độ được kiểm soát. Thời gian chịu tác động phụ thuộc vào thể tích buồng phản ứng và lưu lượng cấp nguyên liệu. Xử lý siêu âm trực tiếp trên đường ống loại bỏ hiện tượng đi tắt vì tất cả các hạt đều đi qua buồng phản ứng theo một đường đi xác định. Vì tất cả các hạt đều chịu tác động của các thông số xử lý siêu âm giống nhau trong cùng một khoảng thời gian ở mỗi chu kỳ, quá trình xử lý siêu âm thường làm hẹp và dịch chuyển đường cong phân bố thay vì làm rộng đường cong. Phân tán bằng siêu âm tạo ra phân bố kích thước hạt tương đối đối xứng. Nhìn chung, không quan sát thấy hiện tượng kéo đuôi bên phải – độ lệch âm của đường cong do sự dịch chuyển về phía vật liệu thô hơn (“đuôi” ở bên phải) – trong các mẫu đã xử lý siêu âm.

Phân tán ở nhiệt độ được kiểm soát: Làm mát quá trình

Đối với các chất mang nhạy cảm với nhiệt độ, Hielscher cung cấp các thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy có áo làm mát cho tất cả các thiết bị phòng thí nghiệm và công nghiệp. Bằng cách làm mát thành trong của buồng phản ứng, nhiệt sinh ra trong quá trình có thể được tản đi hiệu quả.

Các hình ảnh dưới đây cho thấy sắc tố đen carbon được phân tán trong mực UV bằng đầu dò siêu âm UIP1000hdT.

Phân tán bằng siêu âm đảm bảo giảm kích thước hạt hiệu quả và phân bố đồng đều các sắc tố đen carbon trong mực UV.

Phân tán và phá kết tụ mực in phun ở mọi quy mô

Hielscher chế tạo thiết bị phân tán siêu âm để xử lý mực ở mọi thể tích. Máy đồng nhất siêu âm phòng thí nghiệm được sử dụng cho các thể tích từ 1,5mL đến khoảng 2L và lý tưởng cho giai đoạn nghiên cứu và phát triển công thức mực cũng như kiểm tra chất lượng. Ngoài ra, thử nghiệm tính khả thi trong phòng thí nghiệm cho phép lựa chọn chính xác quy mô thiết bị cần thiết cho sản xuất thương mại.
Máy phân tán siêu âm công nghiệp được sử dụng trong sản xuất cho các mẻ từ 0,5 đến khoảng 2000L hoặc lưu lượng từ 0,1L đến 20m³ mỗi giờ. Khác với các công nghệ phân tán và nghiền khác, quá trình xử lý siêu âm có thể dễ dàng mở rộng quy mô vì tất cả các thông số quan trọng của quá trình đều có thể được điều chỉnh theo tỷ lệ tuyến tính.

Bảng dưới đây đưa ra các khuyến nghị chung về thiết bị siêu âm tùy theo thể tích mẻ hoặc lưu lượng cần xử lý.

 
Máy phân tán siêu âm hoạt động như thế nào? – Nguyên lý hoạt động của hiện tượng xâm thực âm
Xâm thực siêu âm là quá trình sử dụng sóng âm tần số cao để tạo ra các bọt khí nhỏ trong chất lỏng. Khi chịu áp suất cao, các bọt khí có thể sụp đổ, hay nổ sụp vào trong, giải phóng năng lượng đột ngột. Năng lượng này có thể được sử dụng để phân tán các hạt trong chất lỏng, phá vỡ chúng thành các hạt có kích thước nhỏ hơn.
Trong hiện tượng xâm thực siêu âm, sóng âm được tạo ra bởi một bộ chuyển đổi siêu âm, thường được gắn trên đầu dò hoặc đầu khuếch đại siêu âm. Bộ chuyển đổi biến điện năng thành cơ năng dưới dạng sóng âm, sau đó các sóng này được truyền vào chất lỏng qua đầu dò hoặc đầu khuếch đại siêu âm. Khi sóng âm truyền tới chất lỏng, chúng tạo ra các sóng áp suất cao có thể khiến các bọt khí nổ sụp vào trong.
Hiện tượng xâm thực siêu âm có một số ứng dụng tiềm năng trong các quá trình phân tán, bao gồm sản xuất nhũ tương, phân tán sắc tố và chất độn, cũng như phá kết tụ hạt. Xâm thực siêu âm có thể là một phương pháp hiệu quả để phân tán các hạt vì có thể tạo ra lực cắt lớn, đồng thời năng lượng đầu vào cũng như các thông số quan trọng khác của quá trình như nhiệt độ và áp suất có thể được kiểm soát chính xác, cho phép điều chỉnh quá trình phù hợp với nhu cầu cụ thể của ứng dụng. Khả năng kiểm soát quá trình chính xác này là một trong những ưu điểm nổi bật của xử lý siêu âm vì có thể sản xuất các sản phẩm chất lượng cao một cách đáng tin cậy và có khả năng tái lập, đồng thời tránh được mọi sự suy thoái không mong muốn của các hạt hoặc chất lỏng.

Bền chắc và dễ vệ sinh

Thiết bị phản ứng siêu âm gồm bình phản ứng và đầu công tác siêu âm. Đây là bộ phận duy nhất chịu mài mòn và có thể dễ dàng thay thế trong vòng vài phút. Các mặt bích cách ly dao động cho phép lắp đầu công tác siêu âm vào các bình hở hoặc bình kín có thể tăng áp, hoặc các buồng dòng chảy, theo bất kỳ hướng nào. Không cần ổ trục. Các thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy thường được làm bằng thép không gỉ, có hình dạng đơn giản và có thể dễ dàng tháo rời để lau sạch. Không có lỗ nhỏ hay góc khuất.

Vệ sinh tại chỗ bằng siêu âm

Cường độ siêu âm dùng cho các ứng dụng phân tán cao hơn nhiều so với cường độ dùng trong vệ sinh bằng siêu âm thông thường. Vì vậy, công suất siêu âm có thể được dùng để hỗ trợ vệ sinh trong quá trình súc và tráng rửa, vì hiện tượng xâm thực siêu âm loại bỏ các hạt và chất lỏng còn sót lại khỏi đầu công tác siêu âm và thành buồng dòng chảy.