Dispergering og deagglomerering med ultralyd

Dispergering og deagglomerering af faste stoffer i væsker er en vigtig anvendelse af effektultralyd og sonikatorer af probetypen. Ultralydskavitation skaber ekstraordinært kraftig forskydning, som bryder partikelagglomerater op i enkelte dispergerede partikler. På grund af de lokalt koncentrerede, kraftige forskydningskræfter er sonikering ideel til fremstilling af dispersioner med partikler i mikro- og nanostørrelse til forsøg, forskning og udvikling og naturligvis til industriel produktion.

Indblanding af pulvere i væsker er et almindeligt trin ved formulering af forskellige produkter såsom maling, blæk, kosmetik, drikkevarer, hydrogeler eller poleringsmidler. De enkelte partikler holdes sammen af tiltrækningskræfter af forskellig fysisk og kemisk art, herunder van der Waals-kræfter og væskens overfladespænding. Denne effekt er stærkere i væsker med højere viskositet såsom polymerer eller harpikser. Tiltrækningskræfterne skal overvindes for at deagglomerere og dispergere partiklerne i flydende medier. Læs nedenfor, hvorfor ultralydshomogenisatorer er det overlegne dispergeringsudstyr til dispergering af partikler i submikron- og nanostørrelse i laboratorier og industrien.

Dispergering af faste stoffer i væsker med ultralyd

Ultralydshomogenisatorers funktionsprincip bygger på fænomenet akustisk kavitation. Akustisk kavitation er kendt for at skabe intense fysiske kræfter, herunder meget kraftige forskydningskræfter. Påføring af mekanisk belastning bryder partikelagglomeraterne op. Desuden presses væske ind mellem partiklerne.
Til dispergering af pulvere i væsker findes der forskellige kommercielt tilgængelige teknologier såsom højtrykshomogenisatorer, omrørte perlemøller, kolliderende strålemøller og rotor-stator-blandere. Ultralydsdispergatorer har dog betydelige fordele. Læs nedenfor, hvordan dispergering med ultralyd fungerer, og hvilke fordele dispergering med ultralyd har.

 

Videoen demonstrerer ultralydsdispergering af rødt farvestof med UP400St og en S24d 22mm-sonde.

 

Funktionsprincippet for ultralydskavitation og dispergering

Under sonikering skaber højfrekvente lydbølger skiftevis områder med kompression og fortynding i det flydende medium. Når lydbølgerne passerer gennem mediet, skaber de bobler, som hurtigt udvider sig og derefter kollapser voldsomt. Denne proces kaldes akustisk kavitation. Boblernes kollaps skaber højtrykschokbølger, mikrostråler og forskydningskræfter, som kan nedbryde større partikler og agglomerater til mindre partikler. I dispergeringsprocesser med ultralyd fungerer selve partiklerne i dispersionen som formalingsmedium. Accelereret af forskydningskræfterne fra ultralydskavitationen kolliderer partiklerne med hinanden og splintres i bittesmå fragmenter. Da der ikke tilsættes kugler eller perler til den ultralydsbehandlede dispersion, undgås den tidskrævende og arbejdskrævende separation og rengøring af formalingsmedier samt kontaminering fuldstændigt.
Dette gør sonikering så effektiv til dispergering og deagglomerering af partikler, selv dem, der er vanskelige at nedbryde med andre metoder. Det resulterer i en mere ensartet fordeling af partiklerne, hvilket fører til forbedret produktkvalitet og ydeevne.
Desuden kan sonikering nemt håndtere, dispergere og syntetisere nanomaterialer såsom nanokugler, nanokrystaller, nanoplader, nanofibre, nanotråde, kerne-skal-partikler og andre komplekse strukturer.
Derudover kan sonikering udføres på relativt kort tid, hvilket er en væsentlig fordel i forhold til andre dispergeringsteknikker.

Fordele ved ultralydsdispergatorer i forhold til alternative blandeteknologier

Ultralydsdispergatorer har flere fordele i forhold til alternative blandeteknologier såsom højtrykshomogenisatorer, formaling i perlemøller eller rotor-stator-blanding. Nogle af de mest fremtrædende fordele omfatter:

• Forbedret reduktion af partikelstørrelsen: Ultralydsdispergatorer kan effektivt reducere partikelstørrelser til nanometerområdet, hvilket ikke er muligt med mange andre blandeteknologier. Det gør dem ideelle til anvendelser, hvor en lille partikelstørrelse er afgørende.
• Hurtigere blanding: Ultralydsdispergatorer kan blande og dispergere materialer hurtigere end mange andre teknologier, hvilket sparer tid og øger produktiviteten.
• Ingen kontaminering: Ultralydsdispergatorer kræver ikke brug af formalingsmedier såsom kugler eller perler, som kontaminerer dispersionen ved slitage.
• Bedre produktkvalitet: Ultralydsdispergatorer kan fremstille mere ensartede blandinger og suspensioner, hvilket resulterer i bedre og mere ensartet produktkvalitet. Især ved gennemstrømningsdrift passerer dispersionssuspensionen gennem ultralydskavitationszonen på en meget kontrolleret måde, hvilket sikrer en meget ensartet behandling.
• Lavere energiforbrug: Ultralydsdispergatorer kræver typisk mindre energi end andre teknologier, hvilket reducerer driftsomkostningerne.
• Alsidighed: Ultralydsdispergatorer kan bruges til en lang række anvendelser, herunder homogenisering, emulgering, dispergering og deagglomerering. De kan også håndtere en række forskellige materialer, herunder abrasive materialer, fibre, korrosive væsker og endda gasser.

På grund af disse procesfordele samt pålidelighed og enkel betjening udkonkurrerer ultralydsdispergatorer alternative blandeteknologier, hvilket gør dem til et populært valg til mange industrielle anvendelser.

Dispergering og deagglomerering med ultralyd i enhver skala

Hielscher tilbyder ultralydsapparater til dispergering og deagglomerering af enhver volumen ved batch- eller inlinebehandling. Ultralydsapparater til laboratorier bruges til volumener fra 1,5mL til ca. 2L. Industrielle ultralydsapparater bruges til procesudvikling og produktion med batcher fra 0,5 til ca. 2000L eller gennemstrømningshastigheder fra 0,1L til 20m³ pr. time.

Industrielle ultralydsprocessorer fra Hielscher Ultrasonics kan levere meget høje amplituder og dermed pålideligt dispergere og formale partikler til nanoskala. Amplituder på op til 200µm kan nemt anvendes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Ultralydsdispergering af kulstofnanorør – Hielscher ultralydsapparatet UP400S (400W) dispergerer CNT'er og adskiller hurtigt og effektivt sammenfiltrede bundter til enkelte nanorør.

Fordele ved dispergering med ultralyd: Nem opskalering

I modsætning til andre dispergeringsteknologier kan sonikering nemt opskaleres fra laboratorieskala til produktionsskala. Laboratorieforsøg gør det muligt at vælge den nødvendige udstyrsstørrelse præcist. Ved anvendelse i den endelige skala er procesresultaterne identiske med laboratorieresultaterne.

Ultralydsapparater: Robuste og nemme at rengøre

Ultralydseffekten overføres til væsken via en sonotrode. Det er typisk en rotationssymmetrisk del, som bearbejdes af massivt titanium i flykvalitet. Det er også den eneste bevægelige / vibrerende del i kontakt med væsken. Det er den eneste del, som udsættes for slitage, og den kan nemt udskiftes på få minutter. Svingningsafkoblende flanger gør det muligt at montere sonotroden i åbne eller lukkede beholdere, der kan tryksættes, eller i gennemstrømningsceller i enhver orientering. Der kræves ingen lejer. Alle andre dele i kontakt med væsken er generelt fremstillet af rustfrit stål. Gennemstrømningsreaktorer har enkle geometrier og kan nemt skilles ad og rengøres, f.eks. ved gennemskylning og aftørring indvendigt. Der er ingen små åbninger eller skjulte hjørner.

Rengøring på stedet med ultralyd

Ultralyd er velkendt til rengøringsopgaver såsom rengøring af overflader og dele. Den ultralydsintensitet, der bruges til dispergering, er meget højere end ved typisk ultralydsrengøring. Ved rengøring af ultralydsapparatets dele i kontakt med væsken kan ultralydseffekten bruges til at understøtte rengøringen under gennemskylning og skylning, da ultralydskavitationen / den akustiske kavitation fjerner partikler og væskerester fra sonotroden og gennemstrømningscellens vægge.

---

---

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.