Ultraschalldispergierung und Deagglomeration

Das Dispergieren und Deagglomerieren von Feststoffen in Flüssigkeiten ist eine wichtige Anwendung von Leistungsultraschall und Ultraschallgeräten mit Sonotrode. Ultraschallkavitation erzeugt außerordentlich hohe Scherkräfte, die Partikelagglomerate in einzelne dispergierte Partikel aufbrechen. Aufgrund ihrer lokal konzentrierten hohen Scherkräfte eignet sich die Ultraschallbehandlung ideal zur Herstellung von Dispersionen mit Partikeln im Mikro- und Nanometerbereich für Versuche, Forschung und Entwicklung sowie selbstverständlich für die industrielle Produktion.

Das Einmischen von Pulvern in Flüssigkeiten ist ein gängiger Schritt bei der Formulierung verschiedener Produkte wie Farben, Druckfarben, Kosmetika, Getränke, Hydrogele oder Poliermittel. Die einzelnen Partikel werden durch Anziehungskräfte unterschiedlicher physikalischer und chemischer Natur zusammengehalten, darunter Van-der-Waals-Kräfte und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Dieser Effekt ist bei Flüssigkeiten mit höherer Viskosität wie Polymeren oder Harzen stärker. Die Anziehungskräfte müssen überwunden werden, um die Partikel zu deagglomerieren und in flüssigen Medien zu dispergieren. Lesen Sie im Folgenden, warum Ultraschallhomogenisatoren die überlegenen Dispergiergeräte für die Dispergierung von Partikeln im Submikron- und Nanometerbereich in Labor und Industrie sind.

Ultraschalldispergierung von Feststoffen in Flüssigkeiten

Das Funktionsprinzip von Ultraschallhomogenisatoren beruht auf dem Phänomen der akustischen Kavitation. Akustische Kavitation erzeugt bekanntermaßen starke physikalische Kräfte, darunter sehr hohe Scherkräfte. Die mechanische Beanspruchung bricht die Partikelagglomerate auf. Zudem wird Flüssigkeit zwischen die Partikel gepresst.
Für die Dispergierung von Pulvern in Flüssigkeiten sind verschiedene Technologien wie Hochdruckhomogenisatoren, Rührwerkskugelmühlen, Prallstrahlmühlen und Rotor-Stator-Mischer kommerziell verfügbar. Ultraschalldispergierer bieten jedoch erhebliche Vorteile. Lesen Sie im Folgenden, wie die Ultraschalldispergierung funktioniert und welche Vorteile sie bietet.

 

Das Video zeigt die Ultraschalldispergierung roter Farbe mit dem UP400St und einer Sonotrode S24d 22mm.

 

Das Funktionsprinzip der Ultraschallkavitation und Dispergierung

Während der Ultraschallbehandlung erzeugen hochfrequente Schallwellen im flüssigen Medium abwechselnd Bereiche der Verdichtung und Verdünnung. Wenn die Schallwellen das Medium durchlaufen, erzeugen sie Blasen, die sich rasch ausdehnen und anschließend heftig kollabieren. Dieser Prozess wird als akustische Kavitation bezeichnet. Der Kollaps der Blasen erzeugt Hochdruckstoßwellen, Mikrostrahlen und Scherkräfte, die größere Partikel und Agglomerate in kleinere Partikel zerlegen können. Bei Ultraschalldispergierprozessen dienen die Partikel in der Dispersion selbst als Mahlkörper. Durch die Scherkräfte der Ultraschallkavitation beschleunigt, prallen die Partikel aufeinander und zerbrechen in winzige Fragmente. Da der ultraschallbehandelten Dispersion keine Mahlkugeln oder Mahlperlen zugesetzt werden, entfallen die zeitaufwendige und arbeitsintensive Abtrennung und Reinigung der Mahlkörper sowie Verunreinigungen vollständig.
Dies macht die Ultraschallbehandlung beim Dispergieren und Deagglomerieren von Partikeln so wirksam, selbst wenn diese mit anderen Verfahren nur schwer zerkleinert werden können. Daraus ergibt sich eine gleichmäßigere Verteilung der Partikel, die zu einer verbesserten Produktqualität und Leistungsfähigkeit führt.
Darüber hinaus lassen sich mit der Ultraschallbehandlung Nanomaterialien wie Nanokugeln, Nanokristalle, Nanoplättchen, Nanofasern, Nanodrähte, Kern-Schale-Partikel und andere komplexe Strukturen problemlos verarbeiten, dispergieren und synthetisieren.
Außerdem kann die Ultraschallbehandlung in relativ kurzer Zeit durchgeführt werden, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber anderen Dispergiertechniken darstellt.

Vorteile von Ultraschalldispergierern gegenüber alternativen Mischtechnologien

Ultraschalldispergierer bieten mehrere Vorteile gegenüber alternativen Mischtechnologien wie Hochdruckhomogenisatoren, Perlmühlen oder Rotor-Stator-Mischern. Zu den wichtigsten Vorteilen zählen:

• Verbesserte Partikelzerkleinerung: Ultraschalldispergierer können Partikel effektiv bis in den Nanometerbereich zerkleinern, was mit vielen anderen Mischtechnologien nicht möglich ist. Dadurch eignen sie sich ideal für Anwendungen, bei denen eine geringe Partikelgröße entscheidend ist.
• Schnelleres Mischen: Ultraschalldispergierer können Materialien schneller mischen und dispergieren als viele andere Technologien, was Zeit spart und die Produktivität erhöht.
• Keine Verunreinigung: Ultraschalldispergierer benötigen keine Mahlkörper wie Mahlkugeln oder Mahlperlen, die die Dispersion durch Abrieb verunreinigen.
• Bessere Produktqualität: Ultraschalldispergierer können gleichmäßigere Mischungen und Suspensionen herstellen, was zu einer besseren Produktqualität und höherer Gleichmäßigkeit führt. Insbesondere im Durchflussbetrieb durchläuft die zu dispergierende Suspension die Ultraschallkavitationszone unter präzise kontrollierten Bedingungen, wodurch eine sehr gleichmäßige Behandlung gewährleistet wird.
• Geringerer Energieverbrauch: Ultraschalldispergierer benötigen in der Regel weniger Energie als andere Technologien, wodurch die Betriebskosten sinken.
• Vielseitigkeit: Ultraschalldispergierer können für ein breites Anwendungsspektrum eingesetzt werden, darunter Homogenisierung, Emulgierung, Dispergierung und Deagglomeration. Sie können außerdem eine Vielzahl von Materialien verarbeiten, darunter abrasive Materialien, Fasern, korrosive Flüssigkeiten und sogar Gase.

Aufgrund dieser Prozessvorteile sowie ihrer Zuverlässigkeit und einfachen Bedienung sind Ultraschalldispergierer alternativen Mischtechnologien überlegen und daher eine beliebte Wahl für viele industrielle Anwendungen.

Ultraschalldispergierung und Deagglomeration in jedem Maßstab

Hielscher bietet Ultraschallgeräte zur Dispergierung und Deagglomeration beliebiger Volumina im Chargenbetrieb oder bei der Inline-Verarbeitung an. Ultraschalllaborgeräte werden für Volumina von 1,5mL bis ca. 2L eingesetzt. Industrielle Ultraschallgeräte werden in der Prozessentwicklung und Produktion für Chargen von 0,5 bis ca. 2000L oder für Volumenströme von 0,1L bis 20m³ pro Stunde eingesetzt.

Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden erzeugen und dadurch Partikel zuverlässig bis in den Nanometerbereich dispergieren und mahlen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Ultraschalldispergierung von Kohlenstoffnanoröhren – das Hielscher Ultraschallgerät UP400S (400W) dispergiert und entwirrt CNTs schnell und effizient zu einzelnen Nanoröhren.

Vorteile der Ultraschalldispergierung: Einfache Maßstabsvergrößerung

Im Gegensatz zu anderen Dispergiertechnologien lässt sich die Ultraschallbehandlung einfach vom Labor- auf den Produktionsmaßstab übertragen. Laborversuche ermöglichen eine genaue Auswahl der erforderlichen Gerätegröße. Beim Einsatz im endgültigen Maßstab sind die Prozessergebnisse mit den Laborergebnissen identisch.

Ultraschallgeräte: Robust und leicht zu reinigen

Die Ultraschallleistung wird über eine Sonotrode in die Flüssigkeit übertragen. Dabei handelt es sich um ein typischerweise rotationssymmetrisches Bauteil, das aus massivem Titan in Luftfahrtqualität gefertigt wird. Es ist zugleich das einzige bewegte bzw. schwingende medienberührte Bauteil. Es ist das einzige Bauteil, das Verschleiß unterliegt, und kann innerhalb weniger Minuten einfach ausgetauscht werden. Schwingungsentkoppelnde Flansche ermöglichen die Montage der Sonotrode in beliebiger Ausrichtung in offenen oder geschlossenen, mit Druck beaufschlagbaren Behältern oder Durchflusszellen. Es werden keine Lager benötigt. Alle anderen medienberührten Teile bestehen in der Regel aus Edelstahl. Durchflusszellenreaktoren haben einfache Geometrien und lassen sich leicht zerlegen und reinigen, z. B. durch Spülen und Auswischen. Es gibt keine kleinen Öffnungen oder verborgenen Ecken.

Integrierte Ultraschallreinigung

Ultraschall ist für seine Reinigungsanwendungen wie die Oberflächen- und Bauteilreinigung bekannt. Die für Dispergieranwendungen eingesetzte Ultraschallintensität ist wesentlich höher als bei der üblichen Ultraschallreinigung. Bei der Reinigung der medienberührten Teile des Ultraschallgeräts kann die Ultraschallleistung während des Durchspülens und Nachspülens zur Unterstützung der Reinigung eingesetzt werden, da die Ultraschallkavitation bzw. akustische Kavitation Partikel und Flüssigkeitsrückstände von der Sonotrode und den Wänden der Durchflusszelle entfernt.

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Literatur / Quellen

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• 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.