يعد تشتيت وتكتل المواد الصلبة إلى سوائل تطبيقا مهما للموجات فوق الصوتية للطاقة وأجهزة الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار. يولد التجويف بالموجات فوق الصوتية قصا عاليا بشكل غير عادي يكسر تكتلات الجسيمات إلى جزيئات مشتتة مفردة. نظرا لقوى القص العالية المركزة محليا ، فإن الصوتنة مثالية لإنتاج مشتتات بحجم الميركون والنانو للتجريب والبحث والتطوير ، وبالطبع للإنتاج الصناعي.

يعد خلط المساحيق في السوائل خطوة شائعة في صياغة المنتجات المختلفة ، مثل الطلاء أو الحبر أو مستحضرات التجميل أو المشروبات أو الهلاميات المائية أو وسائط التلميع. يتم ربط الجسيمات الفردية معا بواسطة قوى جذب ذات طبيعة فيزيائية وكيميائية مختلفة ، بما في ذلك قوى فان دير فال والتوتر السطحي السائل. هذا التأثير أقوى للسوائل عالية اللزوجة ، مثل البوليمرات أو الراتنجات. يجب التغلب على قوى الجذب من أجل تفكيك الجسيمات وتفريقها في وسائط سائلة. اقرأ أدناه لماذا المجانسات بالموجات فوق الصوتية هي معدات التشتيت المتفوقة لتشتت الجسيمات تحت الميكرون والنانو في المختبر والصناعة.

تشتيت المواد الصلبة بالموجات فوق الصوتية إلى سوائل

يعتمد مبدأ عمل المجانسات بالموجات فوق الصوتية على ظاهرة التجويف الصوتي. من المعروف أن التجويف الصوتي يخلق قوى فيزيائية شديدة ، بما في ذلك قوى قص قوية جدا. تطبيق الإجهاد الميكانيكي يكسر تكتلات الجسيمات. أيضا ، يتم ضغط السائل بين الجزيئات.
بينما بالنسبة لتشتيت المساحيق إلى سوائل ، تتوفر تجاريا تقنيات مختلفة مثل المجانسات عالية الضغط ، ومطاحن الخرز المحرض ، والمطاحن النفاثة الاصطدام ، وخلاط الجزء الثابت الدوار. ومع ذلك ، فإن المشتتات بالموجات فوق الصوتية لها مزايا كبيرة. اقرأ أدناه كيف يعمل التشتت بالموجات فوق الصوتية وما هي مزايا التشتت بالموجات فوق الصوتية.

 

 

مبدأ العمل من التجويف بالموجات فوق الصوتية والتشتت

أثناء الصوتنة ، تخلق الموجات الصوتية عالية التردد مناطق متناوبة من الضغط والتخلخل في الوسط السائل. عندما تمر الموجات الصوتية عبر الوسط ، فإنها تخلق فقاعات تتوسع بسرعة ثم تنهار بعنف. وتسمى هذه العملية التجويف الصوتي. يولد انهيار الفقاعات موجات صدمة عالية الضغط ، ونفاثات دقيقة ، وقوى قص يمكنها تحطيم الجسيمات والتكتلات الأكبر إلى جزيئات أصغر. في عمليات التشتت بالموجات فوق الصوتية ، تعمل الجسيمات نفسها في التشتت كوسيط طحن. تتسارع بواسطة قوى القص للتجويف بالموجات فوق الصوتية ، تصطدم الجسيمات ببعضها البعض وتتحطم إلى شظايا صغيرة. نظرا لعدم إضافة أي خرز أو لؤلؤ إلى التشتت المعالج بالموجات فوق الصوتية ، يتم تجنب الفصل والتنظيف الذي يستغرق وقتا طويلا وكثيف العمالة لوسائط الطحن وكذلك التلوث تماما.
هذا يجعل صوتنة فعالة جدا في تشتيت وإزالة الجسيمات ، حتى تلك التي يصعب تحطيمها بطرق أخرى. ينتج عن هذا توزيع أكثر اتساقا للجزيئات ، مما يؤدي إلى تحسين جودة المنتج وأدائه.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لصوتنة بسهولة التعامل مع المواد النانوية وتفريقها وتوليفها مثل الكرات النانوية والبلورات النانوية والصفائح النانوية والألياف النانوية والأسلاك النانوية وجزيئات القشرة الأساسية وغيرها من الهياكل المعقدة.
علاوة على ذلك ، يمكن إجراء صوتنة في إطار زمني قصير نسبيا ، وهي ميزة كبيرة على تقنيات التشتت الأخرى.

مزايا المشتتات بالموجات فوق الصوتية على تقنيات الخلط البديلة

توفر المشتتات بالموجات فوق الصوتية العديد من المزايا مقارنة بتقنيات الخلط البديلة مثل المجانسات عالية الضغط أو طحن الخرز أو خلط الجزء الثابت الدوار. بعض من أبرز المزايا تشمل:

• تحسين تقليل حجم الجسيمات: يمكن للمشتتات بالموجات فوق الصوتية تقليل أحجام الجسيمات بشكل فعال إلى نطاق النانومتر ، وهو أمر غير ممكن مع العديد من تقنيات الخلط الأخرى. وهذا يجعلها مثالية للتطبيقات التي يكون فيها حجم الجسيمات الدقيقة أمرا بالغ الأهمية.
• خلط أسرع: يمكن للمشتتات بالموجات فوق الصوتية خلط المواد وتفريقها بشكل أسرع من العديد من التقنيات الأخرى ، مما يوفر الوقت ويزيد الإنتاجية.
• لا تلوث: لا تتطلب المشتتات بالموجات فوق الصوتية استخدام وسائط الطحن كخرز أو لؤلؤ ، مما يلوث التشتت بالتآكل.
• جودة أفضل للمنتج: يمكن أن تنتج المشتتات بالموجات فوق الصوتية مخاليط ومعلقات أكثر اتساقا ، مما يؤدي إلى تحسين جودة المنتج واتساقه. خاصة في وضع التدفق ، يمر ملاط التشتت بمنطقة التجويف بالموجات فوق الصوتية بطريقة عالية التحكم لضمان معالجة موحدة للغاية.
• استهلاك أقل للطاقة: تتطلب المشتتات بالموجات فوق الصوتية عادة طاقة أقل من التقنيات الأخرى ، مما يقلل من تكاليف التشغيل.
• براعه: يمكن استخدام المشتتات بالموجات فوق الصوتية لمجموعة واسعة من التطبيقات ، بما في ذلك التجانس والاستحلاب والتشتت وإزالة التكتل. يمكنهم أيضا التعامل مع مجموعة متنوعة من المواد ، بما في ذلك المواد الكاشطة والألياف والسوائل المسببة للتآكل وحتى الغازات.

نظرا لمزايا العملية هذه بالإضافة إلى الموثوقية والتشغيل البسيط ، تتفوق المشتتات بالموجات فوق الصوتية على تقنيات الخلط البديلة ، مما يجعلها خيارا شائعا للعديد من التطبيقات الصناعية.

تشتيت بالموجات فوق الصوتية وإزالة التكتل في أي مقياس

تقدم Hielscher أجهزة الموجات فوق الصوتية لتفريق وتفكيك أي حجم للدفعة أو المعالجة المضمنة. تستخدم أجهزة المختبرات بالموجات فوق الصوتية لأحجام من 1.5 مل إلى حوالي 2 لتر. تستخدم أجهزة الموجات فوق الصوتية الصناعية في تطوير العملية وإنتاجها للدفعات من 0.5 إلى حوالي 2000 لتر أو معدلات التدفق من 0.1 لتر إلى 20 متر مكعب في الساعة.

Hielscher المعالجات بالموجات فوق الصوتية الصناعية يمكن أن توفر السعات عالية جدا وبالتالي تشتيت موثوق وطحن الجسيمات على نطاق نانو. يمكن تشغيل السعات التي تصل إلى 200 ميكرومتر بسهولة بشكل مستمر في عملية 24/7. للحصول على سعات أعلى ، تتوفر سونوتروديس بالموجات فوق الصوتية المخصصة.

الجدول أدناه يعطيك مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لultrasonicators لدينا:

مزايا التشتت بالموجات فوق الصوتية: من السهل توسيع نطاقها

تختلف عن غيرها من التكنولوجيات تشتيت، بالموجات فوق الصوتية يمكن توسيع نطاقها بسهولة من المختبر إلى حجم الإنتاج. ستسمح الاختبارات المعملية بتحديد حجم المعدات المطلوب بدقة. عند استخدامها في المقياس النهائي ، تكون نتائج العملية مطابقة لنتائج المختبر.

الموجات فوق الصوتية: قوية وسهلة التنظيف

تنتقل الطاقة فوق الصوتية إلى السائل عن طريق سونوترودي. هذا جزء متماثل دوار عادة ، يتم تشكيله من التيتانيوم الصلب بجودة الطائرات. هذا هو أيضا الجزء المبلل المتحرك / المهتز الوحيد. إنه الجزء الوحيد المعرض للتآكل ويمكن استبداله بسهولة في غضون دقائق. تسمح حواف فصل التذبذب بتركيب sonotrode في حاويات مفتوحة أو مغلقة قابلة للضغط أو خلايا تدفق في أي اتجاه. ليست هناك حاجة إلى محامل. جميع الأجزاء المبللة الأخرى مصنوعة بشكل عام من الفولاذ المقاوم للصدأ. تحتوي مفاعلات خلايا التدفق على أشكال هندسية بسيطة ويمكن تفكيكها وتنظيفها بسهولة ، على سبيل المثال عن طريق التنظيف والمسح. لا توجد فتحات صغيرة أو زوايا مخفية.

منظف ​​بالموجات فوق الصوتية في مكان

تشتهر الموجات فوق الصوتية بتطبيقات التنظيف ، مثل السطح ، تنظيف الأجزاء. كثافة الموجات فوق الصوتية المستخدمة لتفريق التطبيقات أعلى بكثير من التنظيف بالموجات فوق الصوتية النموذجية. عندما يتعلق الأمر بتنظيف الأجزاء المبللة من جهاز الموجات فوق الصوتية ، يمكن استخدام الطاقة فوق الصوتية للمساعدة في التنظيف أثناء التنظيف والشطف ، حيث يزيل التجويف بالموجات فوق الصوتية / الصوتية الجسيمات والمخلفات السائلة من sonotrode ومن جدران خلايا التدفق.

---

---

الأدب / المراجع

• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Poinern G.E., Brundavanam R., Thi-Le X., Djordjevic S., Prokic M., Fawcett D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. Int J Nanomedicine. 2011; 6: 2083–2095.
• László Vanyorek, Dávid Kiss, Ádám Prekob, Béla Fiser, Attila Potyka, Géza Németh, László Kuzsela, Dirk Drees, Attila Trohák, Béla Viskolcz (2019): Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants. Journal of Materials Research and Technology, Volume 8, Issue 3, 2019. 3244-3250.
• 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, Issue1. January 9, 2020.