Ultrazvukové dispergování a deaglomerace

Dispergování a deaglomerace pevných látek v kapalinách je důležitou aplikací výkonového ultrazvuku a sonikátorů sondového typu. Ultrazvuková kavitace vytváří mimořádně vysoký smyk, který rozbíjí aglomeráty částic na jednotlivé dispergované částice. Díky lokálně soustředěným vysokým smykovým silám je sonikace ideální pro výrobu mikronových a nanometrových disperzí pro experimenty, výzkum a vývoj a samozřejmě i pro průmyslovou výrobu.

Mísení prášků do kapalin je běžným krokem při formulaci různých produktů, jako jsou barvy, inkousty, kosmetika, nápoje, hydrogely nebo lešticí média. Jednotlivé částice drží pohromadě přitažlivé síly různé fyzikální a chemické povahy, včetně van der Waalsových sil a povrchového napětí kapaliny. Tento účinek je silnější u kapalin s vyšší viskozitou, jako jsou polymery nebo pryskyřice. Aby bylo možné částice deaglomerovat a dispergovat v kapalném médiu, je nutné tyto přitažlivé síly překonat. Níže se dočtete, proč jsou ultrazvukové homogenizátory lepším dispergačním zařízením pro disperzi submikronových a nanometrových částic v laboratoři i v průmyslu.

Ultrazvukové dispergování pevných látek v kapalinách

Princip činnosti ultrazvukových homogenizátorů je založen na jevu akustické kavitace. Je známo, že akustická kavitace vytváří intenzivní fyzikální síly, včetně velmi silných smykových sil. Působení mechanického namáhání rozbíjí aglomeráty částic. Kapalina je navíc vtlačována mezi částice.
Pro dispergování prášků v kapalinách jsou sice komerčně dostupné různé technologie, jako jsou vysokotlaké homogenizátory, míchací kuličkové mlýny, tryskové mlýny s protiproudými paprsky a rotor-statorové míchačky. Ultrazvukové dispergátory však mají významné výhody. Níže se dočtete, jak ultrazvuková disperze funguje a jaké jsou výhody ultrazvukového dispergování.

Video ukazuje ultrazvukovou dispergaci červeného barviva pomocí UP400St se sondou S24d 22mm.

 

Princip činnosti ultrazvukové kavitace a disperze

Během sonikace vytvářejí vysokofrekvenční zvukové vlny v kapalném médiu střídající se oblasti stlačení a zředění. Při průchodu médiem vytvářejí zvukové vlny bubliny, které se rychle rozpínají a poté prudce kolabují. Tento proces se nazývá akustická kavitace. Kolaps bublin vytváří vysokotlaké rázové vlny, mikrotrysky a smykové síly, které mohou rozbít větší částice a aglomeráty na menší částice. V procesech ultrazvukové disperze fungují jako mlecí médium samotné částice v disperzi. Částice urychlené smykovými silami ultrazvukové kavitace se navzájem srážejí a tříští se na drobné fragmenty. Protože do ultrazvukem ošetřované disperze nejsou přidávány žádné kuličky ani perly, je zcela vyloučena časově náročná a pracná separace a čištění mlecích médií i kontaminace.
Díky tomu je sonikace tak účinná při dispergování a deaglomeraci částic, a to i těch, které se jinými metodami rozbíjejí obtížně. Výsledkem je rovnoměrnější distribuce částic, což vede ke zlepšení kvality a užitných vlastností produktu.
Sonikace navíc dokáže snadno zpracovávat, dispergovat a syntetizovat nanomateriály, jako jsou nanosféry, nanokrystaly, nanovrstvy, nanovlákna, nanodráty, částice typu jádro-obal a další složité struktury.
Kromě toho lze sonikaci provádět v relativně krátkém čase, což je velká výhoda oproti jiným disperzním technikám.

Výhody ultrazvukových dispergátorů oproti alternativním technologiím míchání

Ultrazvukové dispergátory nabízejí oproti alternativním technologiím míchání, jako jsou vysokotlaké homogenizátory, mletí v kuličkových mlýnech nebo míchání rotor-stator, několik výhod. Mezi nejvýznamnější výhody patří:

• Lepší zmenšení velikosti částic: Ultrazvukové dispergátory dokážou účinně zmenšit velikost částic do nanometrového rozsahu, což u mnoha jiných technologií míchání není možné. Díky tomu jsou ideální pro aplikace, u nichž je jemná velikost částic kritická.
• Rychlejší míchání: Ultrazvukové dispergátory dokážou míchat a dispergovat materiály rychleji než mnoho jiných technologií, což šetří čas a zvyšuje produktivitu.
• Žádná kontaminace: Ultrazvukové dispergátory nevyžadují použití mlecích médií, jako jsou kuličky nebo perly, která disperzi kontaminují otěrem.
• Lepší kvalita produktu: Ultrazvukové dispergátory dokážou vytvářet rovnoměrnější směsi a suspenze, což vede k lepší kvalitě a konzistenci produktu. Zejména v průtokovém režimu prochází disperzní suspenze zónou ultrazvukové kavitace vysoce řízeným způsobem, což zajišťuje velmi rovnoměrné ošetření.
• Nižší spotřeba energie: Ultrazvukové dispergátory obvykle vyžadují méně energie než jiné technologie, což snižuje provozní náklady.
• Všestrannost: Ultrazvukové dispergátory lze použít pro širokou škálu aplikací, včetně homogenizace, emulgace, disperze a deaglomerace. Dokážou také zpracovávat různé materiály, včetně abrazivních materiálů, vláken, korozivních kapalin, a dokonce i plynů.

Díky těmto procesním výhodám, jakož i spolehlivosti a jednoduché obsluze, ultrazvukové dispergátory předčí alternativní technologie míchání, což z nich činí oblíbenou volbu pro mnoho průmyslových aplikací.

Ultrazvukové dispergování a deaglomerace v jakémkoli měřítku

Hielscher nabízí ultrazvuková zařízení pro dispergování a deaglomeraci libovolného objemu pro vsádkové nebo inline zpracování. Laboratorní ultrazvuková zařízení se používají pro objemy od 1,5mL do přibl. 2L. Průmyslová ultrazvuková zařízení se používají při vývoji procesů a ve výrobě pro vsádky od 0,5 do přibl. 2000L nebo průtoky od 0,1L do 20m³ za hodinu.

Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážou poskytovat velmi vysoké amplitudy, a tím spolehlivě dispergovat a mlít částice do nanoměřítka. Amplitudy až 200µm lze snadno provozovat nepřetržitě v režimu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů:

Ultrazvuková dispergace uhlíkových nanotrubic – sonikátor Hielscher UP400S (400W) rychle a účinně disperguje a rozplétá CNT na jednotlivé nanotrubice.

Výhody ultrazvukové disperze: snadné zvětšování měřítka

Na rozdíl od jiných dispergačních technologií lze sonikaci snadno převést z laboratorního do výrobního měřítka. Laboratorní testy umožňují přesně zvolit požadovanou velikost zařízení. Při použití v konečném měřítku jsou výsledky procesu totožné s laboratorními výsledky.

Sonikátory: robustní a snadno čistitelné

Ultrazvukový výkon se do kapaliny přenáší prostřednictvím sonotrody. Jedná se o typicky rotačně symetrickou součást, která je obráběna z plného titanu letecké kvality. Je to také jediná pohyblivá / vibrující smáčená součást. Je to jediná součást, která podléhá opotřebení, a lze ji snadno vyměnit během několika minut. Příruby oddělující kmitání umožňují namontovat sonotrodu do otevřených nebo uzavřených natlakovatelných nádob nebo průtokových cel v libovolné orientaci. Nejsou potřeba žádná ložiska. Všechny ostatní smáčené součásti jsou obecně vyrobeny z nerezové oceli. Reaktory s průtokovou celou mají jednoduchou geometrii a lze je snadno rozebrat a vyčistit, např. proplachováním a vytíráním. Nejsou zde žádné malé otvory ani skryté kouty.

Ultrazvukové čištění na místě

Ultrazvuk je dobře známý svými čisticími aplikacemi, jako je čištění povrchů a dílů. Intenzita ultrazvuku používaná pro dispergační aplikace je mnohem vyšší než při typickém ultrazvukovém čištění. Pokud jde o čištění smáčených částí ultrazvukového zařízení, lze ultrazvukový výkon využít k podpoře čištění během proplachování a oplachování, protože ultrazvuková / akustická kavitace odstraňuje částice a zbytky kapaliny ze sonotrody a ze stěn průtokové cely.

---

---

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.