Ultralydsdispergering og deagglomerering
Dispergering og deagglomerering af faste stoffer i væsker er en vigtig anvendelse af ultralyd og sonde-type sondeapparater. Ultralydskavitation genererer ekstraordinært høj forskydning, der bryder partikelagglomerater i enkelte dispergerede partikler. På grund af dets lokalt fokuserede høje forskydningskræfter er sonikering ideel til at producere mirkon- og nano-størrelse dispersioner til eksperimentering, forskning og udvikling og selvfølgelig til industriel produktion.
Blanding af pulvere i væsker er et almindeligt trin i formuleringen af forskellige produkter, såsom maling, blæk, kosmetik, drikkevarer, hydrogeler eller poleringsmedier. De enkelte partikler holdes sammen af tiltrækningskræfter af forskellig fysisk og kemisk art, herunder van der Waals-kræfter og væskeoverfladespænding. Denne effekt er stærkere for væsker med højere viskositet, såsom polymerer eller harpikser. Tiltrækningskræfterne skal overvindes for at deagglomerere og sprede partiklerne til flydende medier. Læs nedenfor, hvorfor ultralydshomogenisatorer er det overlegne dispergeringsudstyr til spredning af submikron- og nanopartikler i laboratoriet og industrien.

Ultralydsapparat UP400St til fremstilling af nanopartikeldispersioner i batches.
Ultralydsdispergering af faste stoffer i væsker
Arbejdsprincippet for ultralydshomogenisatorer er baseret på fænomenet akustisk kavitation. Akustisk kavitation er kendt for at skabe intense fysiske kræfter, herunder meget stærke forskydningskræfter. Anvendelsen af mekanisk belastning bryder partikelagglomeraterne fra hinanden. Der presses også væske mellem partiklerne.
Mens til dispergering af pulvere i væsker er forskellige teknologier såsom højtrykshomogenisatorer, omrørerperlemøller, stødstrålemøller og rotor-stator-blandere kommercielt tilgængelige. Ultralydsdispergeringsmidler har dog betydelige fordele. Læs nedenfor, hvordan ultralydsdispersion fungerer, og hvad fordelene ved ultralydsdispersion er.
Arbejdsprincippet for ultralydskavitation og dispersion
Under sonikering skaber højfrekvente lydbølger skiftende områder med kompression og sjældenhed i det flydende medium. Når lydbølgerne passerer gennem mediet, skaber de bobler, der hurtigt udvider sig og derefter kollapser voldsomt. Denne proces kaldes akustisk kavitation. Boblernes kollaps genererer højtrykschokbølger, mikrostråler og forskydningskræfter, der kan nedbryde større partikler og agglomerater til mindre partikler. I ultralydsdispersionsprocesser fungerer partiklerne selv i dispersionen som fræsemedium. Accelereret af forskydningskræfterne fra ultralydskavitation kolliderer partiklerne med hinanden og splintres i små fragmenter. Da der ikke tilsættes perler eller perler til den ultralydsbehandlede dispersion, undgås den tidskrævende og arbejdskrævende adskillelse og rengøring af fræsemedier samt kontaminering fuldstændigt.
Dette gør sonikering så effektiv til at dispergere og deagglomerere partikler, selv dem, der er vanskelige at nedbryde med andre metoder. Dette resulterer i en mere ensartet fordeling af partikler, hvilket fører til forbedret produktkvalitet og ydeevne.
Derudover kan sonikering let håndtere, sprede og syntetisere nanomaterialer såsom nanosfærer, nanokrystaller, nanoark, nanofibre, nanotråde, kerne-skalpartikler og andre komplekse strukturer.
Desuden kan sonikering udføres inden for en relativt kort tidsramme, hvilket er en stor fordel i forhold til andre dispersionsteknikker.
Fordele ved ultralydsdispergeringsmidler i forhold til alternative blandingsteknologier
Ultralydsdispergeringsmidler tilbyder flere fordele i forhold til alternative blandingsteknologier såsom højtrykshomogenisatorer, perlefræsning eller rotor-statorblanding. Nogle af de mest fremtrædende fordele inkluderer:
- Forbedret reduktion af partikelstørrelse: Ultralydsdispergeringsmidler kan effektivt reducere partikelstørrelser til nanometerområdet, hvilket ikke er muligt med mange andre blandingsteknologier. Dette gør dem ideelle til applikationer, hvor en fin partikelstørrelse er kritisk.
- Hurtigere blanding: Ultralydsdispergeringsmidler kan blande og sprede materialer hurtigere end mange andre teknologier, hvilket sparer tid og øger produktiviteten.
- Ingen forurening: Ultralydsdispergeringsmidler kræver ikke brug af fræsemedier også som perler eller perler, der forurener dispersionen ved slid.
- Bedre produktkvalitet: Ultralydsdispergeringsmidler kan producere mere ensartede blandinger og suspensioner, hvilket resulterer i bedre produktkvalitet og konsistens. Især i gennemstrømningstilstand passerer dispersionsopslæmningen ultralydskavitationszonen på en meget kontrolleret måde, hvilket sikrer en meget ensartet behandling.
- Lavere energiforbrug: Ultralydsdispergeringsmidler kræver typisk mindre energi end andre teknologier, hvilket reducerer driftsomkostningerne.
- Alsidighed: Ultralydsdispergeringsmidler kan bruges til en lang række applikationer, herunder homogenisering, emulgering, dispersion og deagglomerering. De kan også håndtere en række forskellige materialer, herunder slibende materialer, fibre, ætsende væsker og endda gasser.
På grund af disse procesfordele samt pålidelighed og enkel betjening udkonkurrerer ultralydsdispergeringsmaskiner alternative blandingsteknologier, hvilket gør dem til et populært valg til mange industrielle applikationer.

Ultralydsdispersion af røget silica i vand: Før ultralydbehandling er den agglomererede silicapartikelstørrelse mere end 200 mikron (D50). Efter ultralydsdispersion af den røgede silica blev de fleste partikler reduceret til mindre end 200 nanometer.
Ultralydsdispergering og deagglomerering i enhver skala
Hielscher tilbyder ultralydsenheder til dispergering og deagglomerering af ethvert volumen til batch- eller inline-behandling. Ultralydslaboratorieenheder bruges til volumener fra 1,5 ml til ca. 2 liter. Industrielle ultralydsenheder anvendes i procesudvikling og produktion til batches fra 0,5 til ca. 2000L eller strømningshastigheder fra 0,1L til 20m³ i timen.
Hielscher Ultrasonics industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder og derved pålideligt sprede og fræse partikler til nano-skala. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige.

Industrielt ultralydssystem MultiSonoReactor til industriel inline-dispersion: Højtydende ultralydapparater er pålidelige og meget effektive inline blandingssystemer til produktion af nanodispersioner.
Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
---|---|---|
0.5 til 1,5 ml | n.a. | VialTweeter | 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
15 til 150L | 3 til 15 l/min | UIP6000hdT |
n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!

UIP1000hdT (1000 watt) ultralydsapparat Spredning af nanofillers i lakker
Fordele ved ultralydsdispersion: Let at skalere op
Til forskel fra andre dispergeringsteknologier kan ultralydbehandling let skaleres op fra laboratorium til produktionsstørrelse. Laboratorietest gør det muligt at vælge den ønskede udstyrsstørrelse nøjagtigt. Når de bruges i endelig skala, er procesresultaterne identiske med laboratorieresultaterne.
Ultralydsapparater: Robuste og nemme at rengøre
Ultralydseffekt overføres til væsken via en sonotrode. Dette er en typisk roterende symmetrisk del, der er bearbejdet af massivt titanium af flykvalitet. Dette er også den eneste bevægelige / vibrerende våde del. Det er den eneste del, der er udsat for slid, og den kan nemt udskiftes inden for få minutter. Oscillationsafkoblingsflanger gør det muligt at montere sonotroden i åbne eller lukkede trykbeholdere eller flowceller i enhver retning. Ingen lejer er nødvendige. Alle andre befugtede dele er generelt lavet af rustfrit stål. Flowcellereaktorer har enkle geometrier og kan nemt skilles ad og rengøres, f.eks. ved at skylle og tørre ud. Der er ingen små åbninger eller skjulte hjørner.
Ultralydsrenser på plads
Ultralyd er kendt for sine rengøringsapplikationer, såsom rengøring af en overflade, del. Ultralydsintensiteten, der anvendes til dispergeringsapplikationer, er meget højere end til typisk ultralydsrensning. Når det kommer til rengøring af de befugtede dele af ultralydsenheden, kan ultralydseffekten bruges til at hjælpe med rengøring under skylning og skylning, da ultralyd / akustisk kavitation fjerner partikler og væskerester fra sonotroden og fra flowcellevæggene.
Litteratur / Referencer
- 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.

Ultralyd homogenisator UIP6000hdT til industriel inline-behandling af store gennemløb.

Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.