Аналіз фізичних основ ультразвукової деагломерації пігментів у процесі виробництва суперконцентратів полімерних барвників методом екструзії

Abstract

У статті проведено аналіз фізичних механізмів ультразвукової деагломерації пігментів у процесі екструзії суперконцентратів полімерних барвників. Розглянуто дію кавітаційних ефектів, шокових хвиль і мікроструменів, що утворюються під впливом ультразвуку в полімерному розплаві та сприяють руйнуванню агломератів пігментів. Обґрунтовано вплив ультразвуку на реологічні властивості полімерної матриці, зокрема зниження в’язкості та покращення плинності розплаву, що забезпечує більш рівномірний розподіл частинок барвника. Представлено математичні моделі динаміки кавітаційних бульбашок, фрагментації агломератів і зміни в’язкості під дією ультразвуку. Наведено приклади застосування ультразвуку для диспергування пігментів TiO₂ та CaCO₃ у поліетилені, поліпропілені та інших полімерах. Встановлено оптимальний діапазон частот (20–40 кГц), за якого спостерігається максимальне зменшення в’язкості та інтенсифікація кавітації. Показано, що ультразвукова екструзія дозволяє покращити якість суперконцентратів, зменшити витрати енергії та підвищити стабільність кольору кінцевих матеріалів. Отримані результати мають практичне значення для вдосконалення технології виробництва полімерних барвників і створення високоефективних композиційних матеріалів. The article analyzes the physical mechanisms of ultrasonic deagglomeration of pigments during the extrusion process of polymer dye super-concentrates. The action of cavitation effects, shock waves, and microjets, which are formed under the influence of ultrasound in the polymer melt and facilitate the breakdown of pigment agglomerates, is examined. The influence of ultrasound on the rheological properties of the polymer matrix, particularly the reduction of viscosity and improvement of melt fluidity, which ensures a more uniform distribution of dye particles, is substantiated. Mathematical models of cavitation bubble dynamics, agglomerate fragmentation, and viscosity changes under the action of ultrasound are presented. Examples of using ultrasound for dispersing TiO₂ and CaCO₃ pigments in polyethylene, polypropylene, and other polymers are provided. The optimal frequency range (20–40 kHz), at which the maximum reduction in viscosity and intensification of cavitation are observed, has been established. It is shown that ultrasonic extrusion allows for improving the quality of superconcentrates, reducing energy consumption, and increasing the color stability of the final materials. The obtained results have practical significance for improving the technology of polymer dye production and creating highly effective composite materials.