Ultrazvučno raspršivanje i deaglomeracija

Raspršivanje i deaglomeracija čvrstih materija u tečnosti je važna primena moćnih ultrazvuka i sonikatora tipa sonde. Ultrazvučna kavitacija stvara izuzetno visok smicanje koji razbija aglomerate čestica u pojedinačne dispergirane čestice. Zbog svojih lokalno fokusiranih visokih sila smicanja, sonikacija je idealna za proizvodnju disperzija mirkona i nano veličine za eksperimentiranje, istraživanje i razvoj, i naravno za industrijsku proizvodnju.

Miješanje praha u tekućine uobičajen je korak u formulaciji različitih proizvoda, kao što su boje, tinta, kozmetika, pića, hidrogelovi ili sredstva za poliranje. Pojedinačne čestice zajedno drže sile privlačenja različite fizičke i kemijske prirode, uključujući van der Waalsove sile i površinsku napetost tekućine. Ovaj efekat je jači za tečnosti većeg viskoziteta, kao što su polimeri ili smole. Sile privlačenja moraju se savladati kako bi se deaglomerirale i raspršile čestice u tekući medij. U nastavku pročitajte zašto su ultrazvučni homogenizatori vrhunska oprema za disperziju za disperziju submikronskih i nano čestica u laboratoriji i industriji.

Ultrazvučno raspršivanje čvrstih materija u tečnosti

Princip rada ultrazvučnih homogenizatora zasniva se na fenomenu akustične kavitacije. Poznato je da akustična kavitacija stvara intenzivne fizičke sile, uključujući vrlo jake sile smicanja. Primjena mehaničkog naprezanja razbija aglomerate čestica. Takođe, tečnost se utiskuje između čestica.
Dok za raspršivanje praha u tečnosti, komercijalno su dostupne različite tehnologije kao što su homogenizatori visokog pritiska, mlinovi sa perlama za mešanje, mlinovi sa udarnim mlazom i rotor-stator-mešalica. Međutim, ultrazvučni disperzatori imaju značajne prednosti. U nastavku pročitajte kako radi ultrazvučna disperzija i koje su prednosti ultrazvučne disperzije.

 

 

Princip rada ultrazvučne kavitacije i disperzije

Tokom sonikacije, visokofrekventni zvučni valovi stvaraju naizmjenična područja kompresije i razrjeđivanja u tečnom mediju. Kako zvučni valovi prolaze kroz medij, stvaraju mjehuriće koji se brzo šire, a zatim nasilno kolabiraju. Ovaj proces se naziva akustična kavitacija. Kolaps mjehurića stvara udarne valove visokog pritiska, mikromlazeve i sile smicanja koje mogu razbiti veće čestice i aglomerirati u manje čestice. U procesima ultrazvučne disperzije, same čestice u disperziji funkcioniraju kao medij za mljevenje. Ubrzane posmičnim silama ultrazvučne kavitacije, čestice se sudaraju jedna s drugom i razbijaju se u sitne fragmente. Budući da se ultrazvučno obrađenoj disperziji ne dodaju perle ili perle, u potpunosti se izbjegava dugotrajno i radno intenzivno odvajanje i čišćenje medija za mljevenje, kao i kontaminacija.
Ovo čini sonikaciju tako efikasnom u raspršivanju i deaglomeraciji čestica, čak i onih koje je teško razbiti drugim metodama. Ovo rezultira ujednačenijom raspodjelom čestica, što dovodi do poboljšanog kvaliteta i performansi proizvoda.
Osim toga, sonication može lako rukovati, dispergirati i sintetizirati nanomaterijale kao što su nanosfere, nanokristali, nanoploče, nanovlakna, nanožice, čestice jezgra-ljuska i druge složene strukture.
Nadalje, sonikacija se može izvesti u relativno kratkom vremenskom okviru, što je velika prednost u odnosu na druge tehnike disperzije.

Prednosti ultrazvučnih disperzatora u odnosu na alternativne tehnologije miješanja

Ultrazvučni disperzatori nude nekoliko prednosti u odnosu na alternativne tehnologije miješanja kao što su homogenizatori pod visokim pritiskom, mljevenje kuglica ili miješanje rotor-stator. Neke od najistaknutijih prednosti uključuju:

• Poboljšano smanjenje veličine čestica: Ultrazvučni disperzatori mogu efikasno smanjiti veličinu čestica do nanometarskog raspona, što nije moguće s mnogim drugim tehnologijama miješanja. To ih čini idealnim za primjene gdje je kritična veličina finih čestica.
• Brže miješanje: Ultrazvučni disperzatori mogu miješati i dispergirati materijale brže od mnogih drugih tehnologija, što štedi vrijeme i povećava produktivnost.
• Bez kontaminacije: Ultrazvučni raspršivači ne zahtijevaju upotrebu medija za mljevenje kao što su perle ili biseri, koji kontaminiraju disperziju abrazijom.
• Bolja kvaliteta proizvoda: Ultrazvučni disperzatori mogu proizvesti ujednačenije smjese i suspenzije, što rezultira boljim kvalitetom i konzistentnošću proizvoda. Posebno u protočnom režimu, disperziona suspenzija prolazi ultrazvučnu zonu kavitacije na visoko kontrolisan način obezbeđujući veoma ujednačen tretman.
• Manja potrošnja energije: Ultrazvučni disperzatori obično zahtijevaju manje energije od drugih tehnologija, što smanjuje operativne troškove.
• Svestranost: Ultrazvučni disperzatori se mogu koristiti za širok spektar primjena, uključujući homogenizaciju, emulzifikaciju, disperziju i deaglomeraciju. Oni također mogu rukovati raznim materijalima, uključujući abrazivne materijale, vlakna, korozivne tekućine, pa čak i plinove.

Zbog ovih prednosti procesa, kao i pouzdanosti i jednostavnog rada, ultrazvučni disperzatori nadmašuju alternativne tehnologije miješanja, što ih čini popularnim izborom za mnoge industrijske primjene.

Ultrazvučno raspršivanje i deaglomeracija u bilo kojoj skali

Hielscher nudi ultrazvučne uređaje za raspršivanje i deaglomeraciju bilo kojeg volumena za serijsku ili inline obradu. Ultrazvučni laboratorijski uređaji se koriste za zapremine od 1,5mL do cca. 2L. Industrijski ultrazvučni uređaji se koriste u procesu razvoja i proizvodnje za serije od 0,5 do cca 2000L ili protoka od 0,1L do 20m³ na sat.

Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke amplitude čime se pouzdano raspršuju i mljevene čestice do nano-razmjera. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi kontinuirano u radu 24 sata dnevno. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:

Prednosti ultrazvučne disperzije: lako se povećava

Za razliku od drugih tehnologija za raspršivanje, ultrazvuk se može lako proširiti od laboratorije do proizvodne veličine. Laboratorijski testovi će omogućiti precizan odabir potrebne veličine opreme. Kada se koristi u konačnoj skali, rezultati procesa su identični laboratorijskim rezultatima.

Ultrasonikatori: robusni i laki za čišćenje

Ultrazvučna snaga se prenosi u tečnost preko sonotrode. Ovo je tipično rotirajući simetrični dio, koji je izrađen od čvrstog titanijuma kvaliteta aviona. Ovo je ujedno i jedini pokretni / vibrirajući vlažni dio. To je jedini dio koji je podložan habanju i može se lako zamijeniti za nekoliko minuta. Prirubnice za razdvajanje oscilacija omogućavaju montažu sonotrode u otvorene ili zatvorene posude pod pritiskom ili protočne ćelije u bilo kojoj orijentaciji. Nisu potrebni ležajevi. Svi ostali vlažni dijelovi su uglavnom izrađeni od nehrđajućeg čelika. Reaktori s protočnim ćelijama imaju jednostavne geometrije i mogu se lako rastaviti i očistiti, npr. ispiranjem i brisanjem. Nema malih otvora ili skrivenih uglova.

Ultrazvučni čistač na mestu

Ultrazvuk je dobro poznat po svojim aplikacijama za čišćenje, kao što je čišćenje površina, dijelova. Intenzitet ultrazvuka koji se koristi za dispergiranje je mnogo veći nego za tipično ultrazvučno čišćenje. Kada je riječ o čišćenju vlažnih dijelova ultrazvučnog uređaja, ultrazvučna snaga se može koristiti za pomoć pri čišćenju tokom ispiranja i ispiranja, 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.