Ultrazvučna disperzija i deaglomeracija

Disperzija i deaglomeracija čvrstih tvari u tekućinama važna je primjena snažnog ultrazvuka i sonikatora sonda-tipa. Ultrazvučna kavitacija stvara izuzetno visoko smicanje koje razbija aglomerate čestica na pojedinačne dispergirane čestice. Zahvaljujući lokalno fokusiranim visokim smičnim silama, ultrazvučna obrada (sonikacija) idealna je za proizvodnju mikronskih i nanodisperzija za eksperimentiranje, istraživanje i razvoj, te naravno za industrijsku proizvodnju.

Miješanje prahova u tekućine uobičajen je korak u formulaciji raznih proizvoda, kao što su boje, tinte, kozmetika, pića, hidrogelovi ili sredstva za poliranje. Pojedinačne čestice drže na okupu privlačne sile različite fizičke i kemijske prirode, uključujući van der Waalsove sile i površinsku napetost tekućine. Ovaj efekt je jači kod tekućina veće viskoznosti, kao što su polimeri ili smole. Privlačne sile moraju se nadvladati kako bi se čestice deaglomerirale i dispergirale u tekuće medije. Pročitajte u nastavku zašto su ultrazvučni homogenizatori vrhunska oprema za dispergiranje submikronskih i nanočestica u laboratoriju i industriji.

Ultrazvučno dispergiranje čvrstih tvari u tekućinama

Princip rada ultrazvučnih homogenizatora zasniva se na pojavi akustične kavitacije. Poznato je da akustična kavitacija stvara intenzivne fizičke sile, uključujući vrlo jake smične sile. Primjena mehaničkog naprezanja razbija aglomerate čestica. Također se tekućina utiskuje između čestica.
Za dispergiranje prahova u tekućinama komercijalno su dostupne različite tehnologije, kao što su homogenizatori visokog pritiska, mlinovi s mješačem i kuglicama, mlinovi s udarnim mlazom i rotor-stator miješalice. Međutim, ultrazvučni dispergatori imaju značajne prednosti. Pročitajte u nastavku kako funkcionira ultrazvučna disperzija i koje su prednosti ultrazvučne disperzije.

Video prikazuje ultrazvučno dispergiranje crvene boje pomoću uređaja UP400St sa sondom S24d 22mm.

 

Princip rada ultrazvučne kavitacije i disperzije

Tijekom ultrazvučne obrade (sonikacije) zvučni valovi visoke frekvencije stvaraju naizmjenična područja kompresije i razrjeđenja u tekućem mediju. Dok zvučni valovi prolaze kroz medij, stvaraju mjehuriće koji se brzo šire, a zatim silovito kolabiraju. Taj se proces naziva akustična kavitacija. Kolaps mjehurića stvara udarne valove visokog pritiska, mikromlazeve i smične sile koje mogu razbiti veće čestice i aglomerate na manje čestice. U procesima ultrazvučne disperzije same čestice u disperziji djeluju kao medij za mljevenje. Ubrzane smičnim silama ultrazvučne kavitacije, čestice se sudaraju jedna s drugom i raspadaju na sitne fragmente. Budući da se ultrazvučno obrađenoj disperziji ne dodaju kuglice ni perle, dugotrajno i radno intenzivno odvajanje i čišćenje medija za mljevenje, kao i kontaminacija, potpuno se izbjegavaju.
Zbog toga je ultrazvučna obrada (sonikacija) toliko učinkovita u dispergiranju i deaglomeraciji čestica, čak i onih koje je teško razbiti drugim metodama. Rezultat je ravnomjernija raspodjela čestica, što dovodi do poboljšane kvalitete i performansi proizvoda.
Osim toga, ultrazvučnom obradom (sonikacijom) mogu se lako obrađivati, dispergirati i sintetizirati nanomaterijali kao što su nanosfere, nanokristali, nanolistovi, nanovlakna, nanožice, čestice jezgra-ljuska i druge složene strukture.
Nadalje, ultrazvučna obrada (sonikacija) može se provesti u relativno kratkom vremenu, što je velika prednost u odnosu na druge tehnike dispergiranja.

Prednosti ultrazvučnih dispergatora u odnosu na alternativne tehnologije miješanja

Ultrazvučni dispergatori nude nekoliko prednosti u odnosu na alternativne tehnologije miješanja kao što su homogenizatori visokog pritiska, mljevenje kuglicama ili rotor-stator miješanje. Neke od najistaknutijih prednosti uključuju:

• Bolje smanjenje veličine čestica: Ultrazvučni dispergatori mogu učinkovito smanjiti veličinu čestica do nanometarskog raspona, što nije moguće s mnogim drugim tehnologijama miješanja. To ih čini idealnim za primjene u kojima je fina veličina čestica presudna.
• Brže miješanje: Ultrazvučni dispergatori mogu miješati i dispergirati materijale brže od mnogih drugih tehnologija, čime se štedi vrijeme i povećava produktivnost.
• Bez kontaminacije: Ultrazvučni dispergatori ne zahtijevaju upotrebu medija za mljevenje kao što su kuglice ili perle, koji abrazijom kontaminiraju disperziju.
• Bolja kvaliteta proizvoda: Ultrazvučni dispergatori mogu proizvesti ujednačenije smjese i suspenzije, što rezultira boljom kvalitetom i konzistentnošću proizvoda. Osobito u protočnom načinu rada, suspenzija disperzije prolazi kroz zonu ultrazvučne kavitacije na visoko kontroliran način, čime se osigurava vrlo ujednačena obrada.
• Manja potrošnja energije: Ultrazvučni dispergatori obično zahtijevaju manje energije od drugih tehnologija, što smanjuje operativne troškove.
• Svestranost: Ultrazvučni dispergatori mogu se koristiti za širok raspon primjena, uključujući homogenizaciju, emulgiranje, dispergiranje i deaglomeraciju. Mogu obrađivati i razne materijale, uključujući abrazivne materijale, vlakna, korozivne tekućine, pa čak i plinove.

Zahvaljujući ovim procesnim prednostima, kao i pouzdanosti i jednostavnom rukovanju, ultrazvučni dispergatori nadmašuju alternativne tehnologije miješanja, zbog čega su popularan izbor za mnoge industrijske primjene.

Ultrazvučno dispergiranje i deaglomeracija u svakoj skali

Hielscher nudi ultrazvučne uređaje za dispergiranje i deaglomeraciju bilo kojeg volumena u šaržnoj ili inline obradi. Ultrazvučni laboratorijski uređaji koriste se za volumene od 1,5mL do oko 2L. Industrijski ultrazvučni uređaji koriste se u razvoju procesa i proizvodnji za šarže od 0,5 do oko 2000L ili protoke od 0,1L do 20m³ na sat.

Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke amplitude, čime pouzdano dispergiraju i melju čestice do nanoskale. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.

Tabela u nastavku daje orijentacijski prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Ultrazvučno dispergiranje ugljikovih nanocijevi – ultrazvučni uređaj Hielscher UP400S (400W) brzo i efikasno dispergira i razdvaja isprepletene ugljikove nanocijevi (CNT) u pojedinačne nanocijevi.

Prednosti ultrazvučne disperzije: jednostavno povećanje skale

Za razliku od drugih tehnologija dispergiranja, ultrazvučna obrada se može lako povećati s laboratorijske na proizvodnu skalu. Laboratorijski testovi omogućit će precizan odabir potrebne veličine opreme. Kada se koristi u konačnoj skali, rezultati procesa identični su laboratorijskim rezultatima.

Ultrazvučni uređaji: robusni i jednostavni za čišćenje

Ultrazvučna snaga prenosi se u tekućinu putem sonotrode. To je tipično rotacijski simetričan dio, obrađen iz punog titana avionskog kvaliteta. To je također jedini pokretni / vibrirajući dio u kontaktu s medijem. To je jedini dio koji podliježe habanju i može se lako zamijeniti u roku od nekoliko minuta. Prirubnice koje odvajaju oscilacije omogućavaju montiranje sonotrode u otvorene ili zatvorene posude pod pritiskom ili protočne ćelije u bilo kojoj orijentaciji. Ležajevi nisu potrebni. Svi ostali dijelovi u kontaktu s medijem općenito su izrađeni od nehrđajućeg čelika. Reaktori s protočnom ćelijom imaju jednostavnu geometriju i mogu se lako rastaviti i očistiti, npr. ispiranjem i brisanjem. Nema malih otvora ni skrivenih uglova.

Ultrazvučno čišćenje na mjestu

Ultrazvuk je dobro poznat po primjenama u čišćenju, kao što je čišćenje površina i dijelova. Ultrazvučni intenzitet koji se koristi za primjene dispergiranja znatno je veći nego kod tipičnog ultrazvučnog čišćenja. Kada je riječ o čišćenju dijelova ultrazvučnog uređaja u kontaktu s medijem, ultrazvučna snaga može se koristiti kao pomoć pri čišćenju tijekom ispiranja i plakanja, jer ultrazvučna / akustična kavitacija uklanja čestice i ostatke tekućine sa sonotrode i sa zidova protočne ćelije.

---

---

Literatura / reference

• 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.