Ултразвуково диспергиране и деагломерация

Диспергирането и деагломерацията на твърди вещества в течности са важно приложение на мощния ултразвук и ултразвуковите устройства със сонда. Ултразвуковата кавитация генерира изключително силно срязване, което разрушава агломератите от частици до отделни диспергирани частици. Благодарение на локално концентрираните си големи сили на срязване ултразвуковата обработка е идеална за получаване на дисперсии с микронни и нанометрични размери на частиците за експерименти, научноизследователска и развойна дейност и, разбира се, за промишлено производство.

Смесването на прахове с течности е обичайна стъпка при формулирането на различни продукти, като бои, мастила, козметика, напитки, хидрогелове или полиращи среди. Отделните частици се задържат заедно от сили на привличане с различна физична и химична природа, включително силите на Ван дер Ваалс и повърхностното напрежение на течността. Този ефект е по-силен при течности с по-висок вискозитет, като полимери или смоли. Силите на привличане трябва да бъдат преодолени, за да се деагломерират и диспергират частиците в течната среда. Прочетете по-долу защо ултразвуковите хомогенизатори са по-доброто оборудване за диспергиране на частици със субмикронни и нанометрични размери в лабораторията и промишлеността.

Ултразвуково диспергиране на твърди вещества в течности

Принципът на работа на ултразвуковите хомогенизатори се основава на явлението акустична кавитация. Известно е, че акустичната кавитация създава интензивни физични сили, включително много големи сили на срязване. Прилагането на механично напрежение разрушава агломератите от частици. Освен това между частиците се нагнетява течност.
За диспергирането на прахове в течности на пазара се предлагат различни технологии, като хомогенизатори с високо налягане, мелници с микросфери и бъркалка, мелници със сблъскващи се струи и роторно-статорни смесители. Ултразвуковите диспергатори обаче имат значителни предимства. Прочетете по-долу как работи ултразвуковото диспергиране и какви са неговите предимства.

 

Видеото демонстрира ултразвуково диспергиране на червен оцветител с UP400St със сонда S24d 22mm.

 

Принцип на работа на ултразвуковата кавитация и диспергирането

По време на ултразвуковата обработка високочестотните звукови вълни създават редуващи се области на сгъстяване и разреждане в течната среда. При преминаването си през средата звуковите вълни създават мехурчета, които бързо се разширяват и след това рязко колапсират. Този процес се нарича акустична кавитация. Колапсът на мехурчетата генерира ударни вълни с високо налягане, микроструи и сили на срязване, които могат да раздробят по-големите частици и агломерати на по-малки частици. При процесите на ултразвуково диспергиране самите частици в дисперсията служат като смилаща среда. Ускорени от силите на срязване на ултразвуковата кавитация, частиците се сблъскват помежду си и се разбиват на миниатюрни фрагменти. Тъй като към обработваната с ултразвук дисперсия не се добавят микросфери или топчета, напълно се избягват както времеемкото и трудоемко отделяне и почистване на смилащата среда, така и замърсяването.
Това прави ултразвуковата обработка толкова ефективна за диспергиране и деагломериране на частици, дори на такива, които трудно се раздробяват с други методи. Така се постига по-равномерно разпределение на частиците, което води до подобрено качество и експлоатационни характеристики на продукта.
Освен това чрез ултразвукова обработка лесно могат да се обработват, диспергират и синтезират наноматериали, като наносфери, нанокристали, нанолистове, нановлакна, нанопроводници, частици със структура ядро–обвивка и други сложни структури.
Ултразвуковата обработка може също да се извършва за сравнително кратко време, което е голямо предимство спрямо други техники за диспергиране.

Предимства на ултразвуковите диспергатори спрямо алтернативните технологии за смесване

Ултразвуковите диспергатори предлагат няколко предимства спрямо алтернативните технологии за смесване, като хомогенизатори с високо налягане, смилане с микросфери или роторно-статорно смесване. Някои от най-съществените предимства включват:

• По-ефективно намаляване на размера на частиците: Ултразвуковите диспергатори могат ефективно да намалят размерите на частиците до нанометричния диапазон, което не е възможно с много други технологии за смесване. Това ги прави идеални за приложения, при които малкият размер на частиците е от решаващо значение.
• По-бързо смесване: Ултразвуковите диспергатори могат да смесват и диспергират материали по-бързо от много други технологии, което спестява време и увеличава производителността.
• Без замърсяване: Ултразвуковите диспергатори не изискват използването на смилаща среда, като микросфери или топчета, които замърсяват дисперсията вследствие на абразивно износване.
• По-добро качество на продукта: Ултразвуковите диспергатори могат да произвеждат по-равномерни смеси и суспензии, което води до по-добро качество и постоянство на характеристиките на продукта. Особено в проточен режим дисперсионната суспензия преминава през зоната на ултразвукова кавитация по строго контролиран начин, което осигурява много равномерна обработка.
• По-ниска консумация на енергия: Ултразвуковите диспергатори обикновено изискват по-малко енергия от другите технологии, което намалява експлоатационните разходи.
• Универсалност: Ултразвуковите диспергатори могат да се използват за широк спектър от приложения, включително хомогенизация, емулгиране, диспергиране и деагломерация. Те могат също да обработват различни материали, включително абразивни материали, влакна, корозивни течности и дори газове.

Благодарение на тези предимства на процеса, както и на надеждността и лесната работа, ултразвуковите диспергатори превъзхождат алтернативните технологии за смесване, което ги прави популярен избор за много промишлени приложения.

Ултразвуково диспергиране и деагломерация във всякакъв мащаб

Hielscher предлага ултразвукови устройства за диспергиране и деагломерация на всякакви обеми при партидна обработка или обработка в линия. Лабораторните ултразвукови устройства се използват за обеми от 1,5mL до приблизително 2L. Промишлените ултразвукови устройства се използват при разработването на процеси и в производството за партиди от 0,5 до приблизително 2000L или при дебити от 0,1L до 20m³ на час.

Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигурят много високи амплитуди и по този начин надеждно да диспергират и смилат частици до нанометрични размери. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по индивидуални изисквания.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства:

Ултразвуково диспергиране на въглеродни нанотръби – ултразвуковият процесор UP400S (400W) на Hielscher бързо и ефективно диспергира и разплита въглеродните нанотръби до отделни нанотръби.

Предимства на ултразвуковото диспергиране: Лесно увеличаване на мащаба

За разлика от другите технологии за диспергиране, ултразвуковата обработка може лесно да се мащабира от лабораторен до производствен мащаб. Лабораторните изпитвания позволяват точно да се избере необходимият размер на оборудването. При работа в крайния мащаб резултатите от процеса са идентични с лабораторните резултати.

Ултразвукови устройства: Здрави и лесни за почистване

Ултразвуковата мощност се предава в течността чрез сонотрод. Това обикновено е ротационно симетричен детайл, изработен чрез механична обработка от плътен титан с авиационно качество. Той е и единствената движеща се / вибрираща част в контакт с течността. Това е единствената част, която е подложена на износване, и тя може лесно да се замени в рамките на минути. Фланците за изолиране на вибрациите позволяват сонотродът да се монтира във всякаква ориентация в отворени съдове, затворени съдове, които могат да работят под налягане, или проточни клетки. Не са необходими лагери. Всички останали части в контакт с течността обикновено са изработени от неръждаема стомана. Реакторите с проточни клетки имат проста геометрия и могат лесно да се разглобяват и почистват, например чрез промиване и избърсване. Няма малки отвори или скрити ъгли.

Ултразвуково почистване на място

Ултразвукът е добре познат с приложенията си за почистване, като почистване на повърхности и детайли. Интензитетът на ултразвука, използван за диспергиране, е много по-висок от този при обичайното ултразвуково почистване. При почистване на частите на ултразвуковото устройство, които са в контакт с течността, ултразвуковата мощност може да се използва за подпомагане на почистването по време на промиване и изплакване, тъй като ултразвуковата / акустичната кавитация отстранява частици и остатъци от течности от сонотрода и от стените на проточната клетка.

---

---

Литература / Източници

• 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.