Ultrazvuková dispergace a deaglomerace

Dispergace a deaglomerace pevných látek do kapalin je důležitou aplikací výkonového ultrazvuku a sonikátorů typu sondy. Ultrazvuková kavitace generuje mimořádně vysoký smyk, který rozbíjí aglomeráty částic na jednotlivé dispergované částice. Díky svým lokálně zaměřeným vysokým smykovým silám je sonikace ideální pro výrobu mikonových a nano 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 jsou drženy pohromadě přitažlivými silami různé fyzikální a chemické povahy, včetně van der Waalsových sil a povrchového napětí kapaliny. Tento efekt 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 média. Níže si přečtěte, proč jsou ultrazvukové homogenizátory vynikajícím dispergačním zařízením pro disperzi submikronových a nanočástic v laboratoři a průmyslu.

Ultrazvuková dispergace pevných látek do kapalin

Princip činnosti ultrazvukových homogenizátorů je založen na jevu akustické kavitace. Je známo, že akustická kavitace vytváří intenzivní fyzikální síly, včetně velmi silných smykových sil. Působením mechanického namáhání se aglomeráty částic rozpadají. Mezi částice je také stlačena kapalina.
Zatímco pro dispergaci prášků do kapalin jsou komerčně dostupné různé technologie, jako jsou vysokotlaké homogenizátory, míchací kuličkové mlýny, impingingové tryskové mlýny a rotor-stator-mixér. Ultrazvukové dispergátory však mají významné výhody. Níže si přečtěte, jak funguje ultrazvuková disperze a jaké jsou výhody ultrazvukové disperze.

 

 

Princip činnosti ultrazvukové kavitace a disperze

Během sonikace vytvářejí vysokofrekvenční zvukové vlny v kapalném médiu střídavé oblasti komprese a zředění. Jak zvukové vlny procházejí médiem, vytvářejí bubliny, které se rychle rozpínají a poté se prudce zhroutí. Tento proces se nazývá akustická kavitace. Zhroucení bublin vytváří vysokotlaké rázové vlny, mikrotrysky a smykové síly, které mohou rozložit větší částice a shluknout se na menší částice. V ultrazvukových disperzních procesech fungují samotné částice v disperzi jako mlecí médium. Částice, které jsou urychlovány smykovými silami ultrazvukové kavitace, se navzájem srážejí a rozbíjejí se na malé fragmenty. Vzhledem k tomu, že do ultrazvukem ošetřené disperze nejsou přidávány žádné kuličky ani perly, je zcela zabráněno časově náročné a pracné separaci a čištění mlecích médií, jakož i kontaminaci.
Díky tomu je sonikace tak účinná při dispergaci a deaglomeraci částic, a to i těch, které je obtížné rozložit jinými metodami. To má za následek rovnoměrnější distribuci částic, což vede ke zlepšení kvality a výkonu produktu.
Kromě toho může sonikace snadno zpracovávat, dispergovat 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 výhoda oproti jiným disperzním technikám.

Výhody ultrazvukových dispergátorů oproti alternativním technologiím míchání

Ultrazvukové dispergátory nabízejí několik výhod oproti alternativním technologiím míchání, jako jsou vysokotlaké homogenizátory, mletí kuliček nebo míchání rotoru a statoru. Mezi nejvýznamnější výhody patří:

• Vylepšené zmenšení velikosti částic: Ultrazvukové dispergátory mohou účinně snížit velikost částic na nanometrový rozsah, což u mnoha jiných technologií míchání není možné. Díky tomu jsou ideální pro aplikace, kde je kritická velikost jemných částic.
• 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, které kontaminují disperzi otěrem.
• Lepší kvalita produktu: Ultrazvukové dispergátory mohou produkovat rovnoměrnější směsi a suspenze, což má za následek lepší kvalitu a konzistenci produktu. Zejména v průtokovém režimu prochází disperzní suspenze ultrazvukovou kavitační zónou vysoce kontrolovaným způsobem, což zajišťuje velmi rovnoměrné zpracování.
• Nižší spotřeba energie: Ultrazvukové dispergátory obvykle vyžadují méně energie než jiné technologie, což snižuje provozní náklady.
• Univerzálnost: Ultrazvukové dispergátory lze použít pro širokou škálu aplikací, včetně homogenizace, emulgace, disperze a deaglomerace. Mohou také manipulovat s různými materiály, včetně abrazivních materiálů, vláken, korozivních kapalin a dokonce i plynů.

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

Ultrazvuková dispergace a deaglomerace v jakémkoli měřítku

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

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

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:

Výhody ultrazvukové disperze: Snadné škálování

Na rozdíl od jiných dispergačních technologií lze ultrazvuku snadno škálovat z laboratoře na výrobní velikost. Laboratorní testy umožní přesně vybrat požadovanou velikost zařízení. Při použití v konečném měřítku jsou výsledky procesu identické s laboratorními výsledky.

Ultrasonicators: Robustní a snadno se čistí

Ultrazvuková energie je přenášena do kapaliny prostřednictvím sonotrody. Jedná se o typicky rotačně symetrický díl, který je vyroben z pevného titanu letecké kvality. Toto je také jediná pohyblivá / vibrující smáčená část. Je to jediný díl, který podléhá opotřebení a lze jej snadno vyměnit během několika minut. Příruby oddělující oscilaci umožňují montáž sonotrody do otevřených nebo uzavřených tlakových nádob nebo průtokových buněk v libovolné orientaci. Nejsou potřeba žádná ložiska. Všechny ostatní smáčené části jsou obecně vyrobeny z nerezové oceli. Reaktory s průtočnou buňkou mají jednoduchou geometrii a lze je snadno rozebrat a vyčistit, např. propláchnutím a vytřením. Nejsou zde žádné malé otvory ani skryté rohy.

Ultrazvukový čistič na místě

Ultrazvuk je dobře známý pro své čisticí aplikace, jako je čištění povrchu, čištění dílů. Ultrazvuková intenzita používaná pro dispergační aplikace je mnohem vyšší než pro typické ultrazvukové čištění. Pokud jde o čištění navlhčených částí ultrazvukového zařízení, může být ultrazvuková síla použita k podpoře čištění během proplachování a oplachování, protože ultrazvuková / akustická kavitace odstraňuje částice a zbytky kapaliny ze sonotrody a ze stěn průtokové buňky.

---

---

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.