کاهش اندازه ذرات جوهر (چاپگرهای جوهرافشان) با استفاده از اولتراسونیک
کاویتاسیون اولتراسونیک روشی مؤثر برای پخش و ریز‌سایش (آسیاب مرطوب) رنگدانه‌های جوهر است. پخش‌کننده‌های اولتراسونیک با موفقیت در تحقیقات و همچنین در تولید صنعتی جوهرهای جوهرافشان مبتنی بر UV، آب یا حلال مورد استفاده قرار می‌گیرند.
جوهرهای جوهرافشان با نانوپخش‌شدگی
اولتراسونیک در کاهش اندازه ذرات در بازهٔ ۵۰۰ میکرومتر تا حدود ۱۰ نانومتر بسیار مؤثر است. هنگامی که از امواج اولتراسونیک برای پخش نانوذرات در جوهر جوهرافشان استفاده می‌شود، گستره رنگ، دوام و کیفیت چاپ جوهر به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌یابد. به همین دلیل، از دستگاه‌های اولتراسونیک نوع پروبی به‌طور گسترده‌ای در تولید جوهرهای جوهرافشان حاوی نانوذرات، جوهرهای تخصصی (مانند جوهرهای رسانا، جوهرهای قابل چاپ سه‌بعدی، جوهر تاتو) و رنگ‌ها استفاده می‌شود.
نمودارهای زیر نمونه‌ای از رنگدانه‌های مشکی در جوهر جوهرافشان، بدون فراصوت (Non-sonicated) و با پخش اولتراسونیک (Ultrasonically-dispersed) را نشان می‌دهند.
در این آزمایش، عملیات اولتراسونیک با التراسونیک پروبی 1000 واتی انجام شده است. نتیجهٔ این عملیات، کاهش قابل مشاهدهٔ اندازه ذرات و توزیع اندازه ذرات بسیار یکنواخت است.
اولتراسونیک چگونه کیفیت جوهر جوهرافشان را بهبود می‌بخشد؟
اولتراسونیکاتورهای با شدت بالا بسیار مؤثر در پخش، کاهش اندازه و توزیع یکنواخت نانوذرات هستند. این بدان معناست که پخش نانوذرات در جوهر جوهرافشان با کمک اولتراسونیک می‌تواند عملکرد و دوام آن را به‌طور قابل توجهی بهبود بخشد.
نانوذرات، ذرات بسیار کوچکی هستند با اندازه‌ای در محدودهٔ ۱ تا ۱۰۰ نانومتر که ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند و می‌توانند خواص جوهر را از چند جنبه ارتقا دهند:
افزایش گستره رنگ (Color Gamut):
نانوذرات می‌توانند گسترهٔ رنگ جوهر را افزایش دهند؛ یعنی تعداد رنگدانه های قابل تولید را بالا ببرند. وقتی این ذرات به‌صورت یکنواخت توسط دستگاه اولتراسونیک نوع پروبی پخش می‌شوند، جوهر رنگ‌های زنده‌تر و اشباع‌تری تولید می‌کند. این امر به دلیل توانایی نانوذرات در بازتاب و پراکندگی نور به شیوه‌هایی است که رنگ‌ها و رنگدانه‌های سنتی از آن ناتوان‌اند.افزایش مقاومت در برابر محوشدگی، آب و لکه شدن:
نانوذرات به‌صورت یکنواخت باعث می‌شوند جوهر مقاومت بالاتری در برابر شرایط محیطی پیدا کند. این ذرات به شکل مؤثرتری با سطح کاغذ یا سایر زیرلایه‌ها پیوند برقرار می‌کنند و تصویری بادوام‌تر و پایدارتر ایجاد می‌کنند. همچنین، این ذرات مانع نفوذ جوهر به درون کاغذ می‌شوند که معمولاً موجب محوشدگی یا کاهش وضوح تصویر می‌شود.بهبود کیفیت چاپ و وضوح:
استفاده از نانوذرات پخش‌شده با اولتراسونیک باعث می‌شود خطوط دقیق‌تر و واضح‌تری چاپ شود. این موضوع در کاربردهایی مانند چاپ عکس با کیفیت بالا یا چاپ آثار هنری اهمیت ویژه‌ای دارد.
کنترل بر پارامترهای فرایند و نتایج پخش ذرات
اندازه و توزیع اندازه ذرات رنگدانه‌های جوهر بر ویژگی‌هایی همچون قدرت رنگ‌دهی و کیفیت چاپ تأثیر مستقیم دارد. در چاپ جوهرافشان، وجود حتی مقدار کمی از ذرات بزرگ‌تر می‌تواند باعث بی‌ثباتی پخش، رسوب‌گذاری یا خرابی نازل چاپگر شود.
به همین دلیل، کنترل دقیق بر فرآیند کاهش اندازه ذرات در تولید جوهر بسیار ضروری است. دستگاه هموژنایزر اولتراسونیک شرکت آوا پرداز ابزار مؤثری برای ایجاد نانوپخش‌شدگی کنترل‌شده است.
فرایند پیوسته (Inline) پخش نانوذرات برای جوهرهای جوهرافشان
راکتورهای اولتراسونیک شرکت آوا پرداز معمولاً به‌صورت خطی (inline) مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این روش، جوهر به درون محفظهٔ راکتور پمپ می‌شود و در آنجا در معرض کاویتاسیون اولتراسونیک با شدت کنترل‌شده قرار می‌گیرد. زمان قرارگیری تحت امواج اولتراسونیک به حجم راکتور و نرخ جریان ماده بستگی دارد.
در این روش، همهٔ ذرات مسیر یکسانی را طی می‌کنند و در شرایط کاملاً مشابهی سونیک می‌شوند. به همین دلیل، منحنی توزیع اندازه ذرات معمولاً باریک‌تر و متقارن‌تر می‌شود و برخلاف روش‌های دیگر، افزایش ذرات درشت ("دُم" سمت راست منحنی) دیده نمی‌شود.
پخش ذرات در دمای کنترل‌شده: خنک‌سازی فرایند
برای موادی که به دما حساس هستند، شرکت آواپرداز راکتورهای جریان‌دار دارای پوشش خنک‌کننده ارائه می‌دهد که برای تمام دستگاه‌های آزمایشگاهی و صنعتی قابل استفاده‌اند. با خنک‌سازی دیواره‌های داخلی راکتور، می‌توان گرمای تولیدشده در فرآیند را به‌خوبی دفع کرد.
تصاویر زیر نشان‌دهندهٔ رنگدانه مشکی (کربن بلک) پخش‌شده در جوهر UV با استفاده از پروب 1000 واتی هستند.
پخش و دی‌اگلومراسیون (جداکردن کلوخه‌ها) جوهرهای جوهرافشان در هر مقیاس
شرکت آوا پرداز تجهیزات پخش التراسونیک را برای فرایند جوهرها در هر حجمی تولید می‌کند. هموژنایزرهای آزمایشگاهی اولتراسونیک برای حجم‌هایی از ۱.۵ میلی‌لیتر تا حدود ۲ لیتر طراحی شده‌اند و برای مراحل تحقیق و توسعه (R&D) فرمولاسیون جوهر و همچنین آزمون‌های کیفی ایده‌آل هستند.
علاوه بر این، آزمایش‌های امکان‌سنجی در مقیاس آزمایشگاهی، انتخاب دقیق اندازهٔ تجهیزات مورد نیاز برای تولید تجاری را ممکن می‌سازند.
دستگاه‌های صنعتی پخش اولتراسونیک برای تولید در حجم‌هایی از ۰.۵ لیتر تا حدود ۲۰۰۰ لیتر یا دبی جریان از ۰.۱ لیتر تا ۲۰ مترمکعب در ساعت به‌کار می‌روند.
بر خلاف سایر فناوری‌های پخش و آسیاب، فرایند اولتراسونیک به‌راحتی قابلیت مقیاس‌پذیری دارد، چرا که تمام پارامترهای مهم فرایند به‌صورت خطی قابل تنظیم و افزایش هستند.
دستگاه پخش اولتراسونیک چگونه کار می‌کند؟ اصل عملکرد کاویتاسیون صوتی
کاویتاسیون اولتراسونیک فرآیندی است که از امواج صوتی با فرکانس بالا برای ایجاد حباب‌های خلا کوچک در یک مایع استفاده می‌کند. هنگامی که این حباب‌ها در معرض فشار بالا قرار می‌گیرند، می‌توانند فروپاشی یا انفجار داخلی (implode) داشته باشند و در نتیجه، یک انفجار انرژی آزاد می‌شود. این انرژی برای پخش ذرات در مایع و شکستن آن‌ها به اندازه‌های کوچکتر به کار می‌رود.
در کاویتاسیون اولتراسونیک، امواج صوتی توسط یک مبدل اولتراسونیک (ultrasonic transducer) تولید می‌شوند که معمولاً بر روی یک پروب یا هورن (sonotrode/horn) نصب شده است. این مبدل، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی به شکل امواج صوتی تبدیل می‌کند که از طریق پروب به مایع منتقل می‌شوند.
وقتی این امواج صوتی به مایع می‌رسند، موج‌هایی با فشار بالا ایجاد می‌کنند که باعث فروپاشی حباب‌های گاز می‌شود.
کاربردها:
کاویتاسیون اولتراسونیک در فرآیندهای پخش ذرات کاربردهای مختلفی دارد، از جمله:
تولید امولسیون‌ها
پخش رنگ‌دانه‌ها و پرکننده‌ها (fillers)
از بین بردن آگلومره‌ها (کلوخه‌ها) و تجمعات ذرات
این روش بسیار مؤثر است چون می‌تواند نیروهای برشی بالا و ورودی انرژی زیادی ایجاد کند. همچنین امکان کنترل دقیق سایر پارامترهای فرایندی مانند دما و فشار نیز فراهم است، که باعث می‌شود فرایند برای نیازهای خاص هر کاربرد بهینه‌سازی شود.
این کنترل دقیق فرایند یکی از مزایای کلیدی فراصوت (سونیکیشن) است، زیرا محصولات باکیفیت را می‌توان به شکل قابل اطمینان و تکرارپذیر تولید کرد و از تخریب ناخواسته ذرات یا مایع جلوگیری نمود.
مقاوم و آسان برای تمیز کردن
یک راکتور التراسونیک شامل یک مخزن و یک سونوترود (sonotrode) است. تنها بخشی که دچار سایش می‌شود همان سونوترود است که می‌توان آن را در عرض چند دقیقه تعویض کرد.
فلنج‌های مخصوص که نوسانات را ایزوله می‌کنند، اجازه نصب سونوترود را در ظروف باز یا بسته (حتی تحت فشار) یا سل‌های عبوری (flow cells) در هر موقعیتی می‌دهند. این سیستم نیازی به بلبرینگ ندارد.
سل‌های عبوری معمولاً از استیل ضدزنگ ساخته می‌شوند، هندسه‌ای ساده دارند و به راحتی قابل باز کردن و پاک‌سازی دستی هستند. هیچ شکاف باریک یا گوشه پنهانی در آن‌ها وجود ندارد.
پاک‌سازی خودکار با فراصوت
شدت امواج اولتراسونیک مورد استفاده در پخش مواد بسیار بالاتر از شدت لازم برای شست‌وشوی معمولی با اولتراسونیک است. بنابراین می‌توان از همین انرژی برای کمک به شست‌وشو و تخلیه سیستم استفاده کرد. کاویتاسیون اولتراسونیک، باقی‌مانده‌های مایع یا ذرات را از سطح سونوترود و دیواره‌های سل به راحتی جدا می‌کند.
