Ултразвуково диспергиране и деагломерация

Диспергирането и деагломерацията на твърди вещества в течности е важно приложение на силовия ултразвук и сондови ултразвукоизточници. Ултразвуковата кавитация генерира изключително голямо срязване, което разделя агломератите на частици на единични дисперсни частици. Благодарение на локално фокусираните си сили на срязване, ултразвукът е идеален за производство на дисперсии с миркон- и наноразмери за експерименти, изследвания и разработки и, разбира се, за промишлено производство.

Смесването на прахове в течности е често срещана стъпка във формулирането на различни продукти, като боя, мастило, козметика, напитки, хидрогелове или полиращи среди. Отделните частици се държат заедно от сили на привличане от различно физическо и химично естество, включително сили на Ван дер Ваалс и повърхностно напрежение на течността. Този ефект е по-силен за течности с по-висок вискозитет, като полимери или смоли. Силите на привличане трябва да бъдат преодолени, за да се деагломерират и разпръснат частиците в течна среда. Прочетете по-долу защо ултразвуковите хомогенизатори са превъзходното диспергиращо оборудване за диспергиране на субмикронни и наноразмерни частици в лабораторията и индустрията.

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 физически сили, включително много силни сили на срязване. Прилагането на механично напрежение разкъсва агломератите на частиците. Също така течността се пресова между частиците.
Докато за диспергирането на прахове в течности се предлагат в търговската мрежа различни технологии като хомогенизатори под високо налягане, мелници за бъркалка, ударни струйни мелници и ротор-статор-смесител. Ултразвуковите диспергатори обаче имат значителни предимства. Прочетете по-долу как работи ултразвуковата дисперсия и какви са предимствата на ултразвуковата дисперсия.

 

 

Принципът на работа на ултразвуковата кавитация и дисперсия

По време на ултразвука високочестотните звукови вълни създават редуващи се зони на компресия и разреждане в течната среда. Докато звуковите вълни преминават през средата, те създават мехурчета, които бързо се разширяват и след това насилствено се срутват. Този процес се нарича акустична кавитация. Колапсът на мехурчетата генерира ударни вълни с високо налягане, микроструи и сили на срязване, които могат да разградят по-големи частици и агломерати на по-малки частици. При процесите на ултразвукова дисперсия самите частици в дисперсията функционират като среда за смилане. Ускорени от силите на срязване на ултразвуковата кавитация, частиците се сблъскват помежду си и се разбиват на малки фрагменти. Тъй като към ултразвуково обработената дисперсия не се добавят мъниста или перли, отнемащото време и трудоемко отделяне и почистване на фрезовите среди, както и замърсяването са напълно избегнати.
Това прави ултразвука толкова ефективен при разпръскване и деагломериране на частици, дори тези, които са трудни за разграждане с други методи. Това води до по-равномерно разпределение на частиците, което води до подобрено качество и производителност на продукта.
В допълнение, ултразвукът може лесно да обработва, разпръсква и синтезира наноматериали като наносфери, нанокристали, нанолистове, нановлакна, нанопроводници, частици от сърцевина и други сложни структури.
Освен това ултразвукът може да се извърши за относително кратък период от време, което е голямо предимство пред другите техники за дисперсия.

Предимства на ултразвуковите диспергатори пред алтернативните технологии за смесване

Ултразвуковите диспергатори предлагат няколко предимства пред алтернативните технологии за смесване като хомогенизатори под високо налягане, фрезоване на перли или смесване на ротор и статор. Някои от най-известните предимства включват:

• Подобрено намаляване на размера на частиците: Ултразвуковите диспергатори могат ефективно да намалят размерите на частиците до нанометровия диапазон, което не е възможно при много други технологии за смесване. Това ги прави идеални за приложения, където финият 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 фрезови среди като мъниста или перли, които замърсяват дисперсията чрез абразия.
• По-добро качество на продукта: Ултразвуковите диспергатори могат да произвеждат по-еднородни смеси и суспензии, което води до по-добро качество и консистенция на продукта. Особено в проточен режим, дисперсионната суспензия преминава ултразвуковата кавитационна зона по силно контролиран начин, осигурявайки много равномерно третиране.
• По-ниска консумация на енергия: Ултразвуковите диспергатори обикновено изискват по-малко енергия от другите технологии, което намалява експлоатационните разходи.
• Гъвкавост: Ултразвуковите диспергатори могат да се използват за широк спектър от приложения, включително хомогенизация, емулгиране, дисперсия и деагломерация. Те също могат да се справят с различни материали, включително абразивни материали, влакна, корозивни течности и дори газове.

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

Ултразвуково диспергиране и деагломерация във всякакъв мащаб

Hielscher предлага ултразвукови устройства за диспергиране и деагломерация на всякакъв обем за партидна или поточна обработка. Ултразвуковите лабораторни устройства се използват за обеми от 1,5 ml до приблизително 2 L. Промишлените ултразвукови устройства се използват при разработването и производството на партиди от 0,5 до приблизително 2000L или дебити от 0,1L до 20m³ на час.

Индустриалните ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигурят много високи амплитуди, като по този начин надеждно диспергират и фрезоват частици до наномащаб. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди.

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

Предимства на ултразвуковата дисперсия: лесно се мащабира

За разлика от другите технологии за диспергиране, ултразвукът може лесно да се мащабира от лабораторията до производствения размер. Лабораторните тестове ще позволят да се избере точно необходимия размер на оборудването. Когато се използват в крайната скала, резултатите от процеса са идентични с лабораторните резултати.

Ултразвукообразуватели: здрави и лесни за почистване

Ултразвуковата мощност се предава в течността чрез сонотрод. Това е типично въртяща се симетрична част, която е обработена от твърд титан с качество на самолета. Това е и единствената движеща се / вибрираща намокрена част. Това е единствената част, която подлежи на износване и може лесно да бъде заменена за минути. Фланците за разделяне на осцилацията позволяват монтирането на сонотрода в отворени или затворени контейнери под налягане или проточни клетки във всякаква ориентация. Не са необходими лагери. Всички останали намокрени части 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 изтриване. Няма малки отвори или скрити ъгли.

Ултразвуков почистващ препарат на място

Ултразвукът е добре известен със своите почистващи приложения, като почистване на повърхности, части. Ултразвуковият интензитет, използван за диспергиращи приложения, е много по-висок, отколкото при типичното ултразвуково почистване. Когато става въпрос за почистване на намокрените части на ултразвуковото устройство, ултразвуковата мощност може да се използва за подпомагане на почистването по време на промиване и изплакване, тъй като ултразвуковата/акустичната кавитация премахва частици и остатъци от течности от сонотрода и от стените на поточната клетка.

---

---

Литература / Препратки

• 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.