Dispergace a deaglomerace pevných látek do kapalin je důležitou aplikací ultrazvukových a sondových sonikátorů. Ultrazvuková kavitace vytváří mimořádně vysoký smyk, který rozbíjí aglomeráty částic na jednotlivé rozptýlené částice. Vzhledem k místně zaměřeným vysokým smykovým silám je sonikace ideální pro výrobu mircon- a nano-velkých disperzí pro experimentování, výzkum a vývoj a samozřejmě pro průmyslovou výrobu.

Míchání 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 kapalného povrchového napětí. Tento účinek je silnější u kapalin s vyšší viskozitou, jako jsou polymery nebo pryskyřice. Přitažlivé síly musí být překonány, aby se částice deaglomerovaly a rozptýlily do kapalného prostředí. Přečtěte si níže, proč ultrazvukové homogenizéry jsou vynikajícím dispergačním zařízením pro disperzi submikronových a nano-velkých částic v laboratoři a průmyslu.

Ultrazvukové dispergování pevných látek do kapalin

Pracovní princip ultrazvukových homogenizérů je založen na fenoménu akustické kavitace. Je známo, že akustická kavitace vytváří intenzivní fyzikální síly, včetně velmi silných smykových sil. Aplikace mechanického namáhání rozbíjí aglomeráty částic. Mezi částicemi je také stlačena kapalina.
Zatímco pro dispergaci prášků do kapalin jsou komerčně dostupné různé technologie, jako jsou vysokotlaké homogenizátory, míchací mlýny, impinging jet mills a rotor-stator-mixer. Ultrazvukové dispergátory však mají významné výhody. Přečtěte si níže, jak funguje ultrazvuková disperze a jaké jsou výhody ultrazvukové disperze.

 

 

Pracovní princip ultrazvukové kavitace a disperze

Během sonikace vytvářejí vysokofrekvenční zvukové vlny střídavé oblasti komprese a zředění v kapalném médiu. Jak zvukové vlny procházejí médiem, vytvářejí bubliny, které se rychle rozšiřují a pak se násilně zhroutí. Tento proces se nazývá akustická kavitace. Zhroucení bublin vytváří vysokotlaké rázové vlny, mikrotrysky a smykové síly, které mohou rozkládat větší částice a aglomeráty na menší částice. V ultrazvukových disperzních procesech fungují samotné částice v disperzi jako mlecí médium. Zrychlené smykovými silami ultrazvukové kavitace, částice se navzájem srážejí a rozbíjejí se na malé fragmenty. Vzhledem k tomu, že k ultrazvukem ošetřené disperzi se nepřidávají žádné korálky ani perly, je zcela vyloučeno časově náročné a pracné oddělení a čištění mlecích médií a kontaminace.
Díky tomu je sonikace tak účinná při rozptylování a deaglomeraci částic, dokonce i těch, které je obtížné rozložit jinými metodami. Výsledkem je rovnoměrnější rozložení částic, což vede ke zlepšení kvality a výkonu produktu.
Kromě toho může sonikace snadno zpracovávat, rozptýlit a syntetizovat nanomateriály, jako jsou nanosféry, nanokrystaly, nanolisty, nanovlákna, nanodráty, částice jádra a další složité struktury.
Kromě toho může být sonikace provedena v relativně krátkém časovém rámci, což je hlavní výhodou oproti jiným disperzním technikám.

Výhody ultrazvukových dispergátorů oproti alternativním technologiím míchání

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

• Vylepšená redukce velikosti částic: Ultrazvukové dispergátory mohou účinně snížit velikost částic na rozsah nanometrů, což není možné s mnoha jinými technologiemi míchání. Díky tomu jsou ideální pro aplikace, kde je kritická jemná velikost částic.
• Rychlejší míchání: Ultrazvukové dispergátory mohou míchat a rozptýlit materiály rychleji než mnoho jiných technologií, což šetří čas a zvyšuje produktivitu.
• Žádná kontaminace: Ultrazvukové dispergátory nevyžadují použití mlecích médií auch jako korálků nebo perel, které kontaminují disperzi otěrem.
• Lepší kvalita výrobků: Ultrazvukové dispergátory mohou produkovat rovnoměrnější směsi a suspenze, což vede k lepší kvalitě a konzistenci produktu. Zejména v průtokovém režimu prochází disperzní suspenze ultrazvukovou kavitační zónou vysoce kontrolovaným způsobem, který zajišťuje velmi rovnoměrné ošetření.
• Nižší spotřeba energie: Ultrazvukové dispergátory obvykle vyžadují méně energie než jiné technologie, což snižuje provozní náklady.
• Univerzálnost: Ultrazvukové dispergátory mohou být použity pro širokou škálu aplikací, včetně homogenizace, emulgace, disperze a deaglomerace. Mohou také zpracovávat různé materiály, včetně abrazivních materiálů, vláken, korozivních kapalin a dokonce i plynů.

Vzhledem k těmto výhodám procesu, spolehlivosti a jednoduchému provozu ultrazvukové dispergátory překonávají alternativní technologie míchání, což z nich činí oblíbenou volbu pro mnoho průmyslových aplikací.

Ultrazvuková dispergace a deaglomerace v jakémkoliv měřítku

Hielscher nabízí ultrazvukové přístroje pro dispergaci a deaglomeraci jakéhokoliv objemu pro dávkové nebo inline zpracování. Ultrazvukové laboratorní přístroje se používají pro objemy od 1,5 ml do cca. 2 l. Průmyslové ultrazvukové přístroje se používají při vývoji a výrobě procesů pro šarže od 0,5 do cca 2000L nebo průtoky od 0,1 l do 20 m³ za hodinu.

Hielscher Ultrazvuk průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy, čímž spolehlivě rozptylují a frézují částice do nano-měřítka. Amplitudy až do 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators:

Výhody ultrazvukové disperze: Snadné škálování

Na rozdíl od jiných dispergačních technologií, ultrazvuku lze snadno zvětšit z laboratoře na výrobní velikost. Laboratorní testy umožní přesně vybrat požadovanou velikost zařízení. Při použití v konečné stupnici jsou výsledky procesu shodné s laboratorními výsledky.

Ultrasonicators: Robustní a snadno se čistí

Ultrazvuková síla se přenáší do kapaliny přes sonotrodu. Jedná se o typicky rotační symetrický díl, který je vyroben z pevného titanu letecké kvality. To je také jediná pohyblivá / vibrující smáčená část. Je to jediná část, která podléhá opotřebení a lze ji snadno vyměnit během několika minut. Oscilační-oddělovací příruby umožňují montáž sonotrody do otevřených nebo uzavřených tlakových nádob nebo průtokových buněk v libovolné orientaci. Nejsou potřeba žádná ložiska. Všechny ostatní smáčené části jsou obvykle vyrobeny z nerezové oceli. Reaktory s průtokovými buňkami mají jednoduché geometrie a lze je snadno rozebrat a vyčistit, např. propláchnutím a vymazáním. Neexistují žádné malé otvory nebo skryté rohy.

Ultrazvukový čistič na místo

Ultrazvuk je dobře známý pro své čisticí aplikace, jako je povrch, čištění dílů. Ultrazvuková intenzita používaná pro dispergační aplikace je mnohem vyšší než pro typické ultrazvukové čištění. Pokud jde o čištění smáčených částí ultrazvukového zařízení, ultrazvuková síla může být použita k pomoci čištění během proplachování a oplachování, protože ultrazvuková / akustická kavitace odstraňuje částice a kapalné zbytky z sonotrody a ze stěn průtokových buněk.

---

---

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.