Διασπορά και αποσυσσωμάτωση με υπερήχους

Η διασπορά και η αποσυσσωμάτωση στερεών σε υγρά αποτελούν σημαντική εφαρμογή των υπερήχων ισχύος και των συσκευών υπερήχων τύπου καθετήρα. Η σπηλαίωση που προκαλείται από τους υπερήχους δημιουργεί εξαιρετικά υψηλή διάτμηση, η οποία διασπά τα συσσωματώματα σωματιδίων σε μεμονωμένα διασπαρμένα σωματίδια. Χάρη στις υψηλές δυνάμεις διάτμησης που εστιάζονται τοπικά, η κατεργασία με υπερήχους είναι ιδανική για την παραγωγή διασπορών με σωματίδια μικρομετρικού και νανομετρικού μεγέθους για πειραματισμό, έρευνα και ανάπτυξη και, φυσικά, για βιομηχανική παραγωγή.

Η ανάμειξη σκονών σε υγρά αποτελεί συνηθισμένο στάδιο στην παρασκευή διαφόρων προϊόντων, όπως χρώματα, μελάνια, καλλυντικά, ποτά, υδρογέλες ή μέσα στίλβωσης. Τα μεμονωμένα σωματίδια συγκρατούνται μεταξύ τους από ελκτικές δυνάμεις ποικίλης φυσικής και χημικής φύσης, συμπεριλαμβανομένων των δυνάμεων van der Waals και της επιφανειακής τάσης του υγρού. Το φαινόμενο αυτό είναι εντονότερο σε υγρά υψηλότερου ιξώδους, όπως πολυμερή ή ρητίνες. Για την αποσυσσωμάτωση και τη διασπορά των σωματιδίων σε υγρά μέσα, πρέπει να υπερνικηθούν οι ελκτικές δυνάμεις. Διαβάστε παρακάτω γιατί οι ομογενοποιητές υπερήχων αποτελούν τον ανώτερο εξοπλισμό διασποράς για τη διασπορά σωματιδίων υπομικρομετρικού και νανομετρικού μεγέθους στο εργαστήριο και στη βιομηχανία.

Διασπορά στερεών σε υγρά με υπερήχους

Η αρχή λειτουργίας των ομογενοποιητών υπερήχων βασίζεται στο φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης. Είναι γνωστό ότι η ακουστική σπηλαίωση δημιουργεί έντονες φυσικές δυνάμεις, συμπεριλαμβανομένων πολύ ισχυρών δυνάμεων διάτμησης. Η εφαρμογή μηχανικής τάσης διασπά τα συσσωματώματα σωματιδίων. Επίσης, το υγρό ωθείται υπό πίεση ανάμεσα στα σωματίδια.
Για τη διασπορά σκονών σε υγρά διατίθενται στο εμπόριο διάφορες τεχνολογίες, όπως ομογενοποιητές υψηλής πίεσης, σφαιρόμυλοι με αναδευτήρα, μύλοι προσκρουόμενων δεσμών και αναμικτήρες ρότορα-στάτορα. Ωστόσο, οι διασπορείς υπερήχων παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα. Διαβάστε παρακάτω πώς λειτουργεί η διασπορά με υπερήχους και ποια είναι τα πλεονεκτήματά της.

 

Το βίντεο παρουσιάζει τη διασπορά κόκκινης χρωστικής με υπερήχους με το UP400St και ηχοτρόδιο S24d 22mm.

 

Η αρχή λειτουργίας της σπηλαίωσης και της διασποράς με υπερήχους

Κατά την κατεργασία με υπερήχους, τα ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας δημιουργούν εναλλασσόμενες περιοχές συμπίεσης και αραίωσης στο υγρό μέσο. Καθώς τα ηχητικά κύματα διέρχονται από το μέσο, δημιουργούν φυσαλίδες που διαστέλλονται γρήγορα και στη συνέχεια καταρρέουν βίαια. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται ακουστική σπηλαίωση. Η κατάρρευση των φυσαλίδων δημιουργεί κρουστικά κύματα υψηλής πίεσης, μικροπίδακες και δυνάμεις διάτμησης που μπορούν να διασπάσουν μεγαλύτερα σωματίδια και συσσωματώματα σε μικρότερα σωματίδια. Στις διεργασίες διασποράς με υπερήχους, τα ίδια τα σωματίδια της διασποράς λειτουργούν ως μέσο άλεσης. Επιταχυνόμενα από τις δυνάμεις διάτμησης της σπηλαίωσης που προκαλείται από τους υπερήχους, τα σωματίδια συγκρούονται μεταξύ τους και θρυμματίζονται σε μικροσκοπικά θραύσματα. Καθώς δεν προστίθενται σφαιρίδια ή πέρλες στη διασπορά που υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους, αποφεύγονται πλήρως ο χρονοβόρος και κοπιαστικός διαχωρισμός και καθαρισμός των μέσων άλεσης, καθώς και η επιμόλυνση.
Αυτό καθιστά την κατεργασία με υπερήχους τόσο αποτελεσματική στη διασπορά και την αποσυσσωμάτωση σωματιδίων, ακόμη και εκείνων που διασπώνται δύσκολα με άλλες μεθόδους. Έτσι επιτυγχάνεται πιο ομοιόμορφη κατανομή των σωματιδίων, η οποία οδηγεί σε βελτιωμένη ποιότητα και απόδοση του προϊόντος.
Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει τον εύκολο χειρισμό, τη διασπορά και τη σύνθεση νανοϋλικών, όπως νανοσφαίρες, νανοκρύσταλλοι, νανοφύλλα, νανοΐνες, νανοσύρματα, σωματίδια πυρήνα-κελύφους και άλλες σύνθετες δομές.
Επιπρόσθετα, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να πραγματοποιηθεί σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα, γεγονός που αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα έναντι άλλων τεχνικών διασποράς.

Πλεονεκτήματα των διασπορέων υπερήχων έναντι εναλλακτικών τεχνολογιών ανάμειξης

Οι διασπορείς υπερήχων προσφέρουν αρκετά πλεονεκτήματα έναντι εναλλακτικών τεχνολογιών ανάμειξης, όπως οι ομογενοποιητές υψηλής πίεσης, η άλεση με σφαιρίδια ή η ανάμειξη με ρότορα-στάτορα. Μερικά από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν:

• Βελτιωμένη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων: Οι διασπορείς υπερήχων μπορούν να μειώσουν αποτελεσματικά το μέγεθος των σωματιδίων στην περιοχή των νανομέτρων, κάτι που δεν είναι δυνατό με πολλές άλλες τεχνολογίες ανάμειξης. Αυτό τους καθιστά ιδανικούς για εφαρμογές όπου το μικρό μέγεθος των σωματιδίων είναι κρίσιμης σημασίας.
• Ταχύτερη ανάμειξη: Οι διασπορείς υπερήχων μπορούν να αναμειγνύουν και να διασπείρουν υλικά ταχύτερα από πολλές άλλες τεχνολογίες, εξοικονομώντας χρόνο και αυξάνοντας την παραγωγικότητα.
• Χωρίς επιμόλυνση: Οι διασπορείς υπερήχων δεν απαιτούν τη χρήση μέσων άλεσης, όπως σφαιρίδια ή πέρλες, τα οποία επιμολύνουν τη διασπορά λόγω αποτριβής.
• Καλύτερη ποιότητα προϊόντος: Οι διασπορείς υπερήχων μπορούν να παράγουν πιο ομοιόμορφα μείγματα και αιωρήματα, με αποτέλεσμα καλύτερη ποιότητα και σταθερότητα του προϊόντος. Ειδικά κατά τη λειτουργία συνεχούς ροής, ο πολτός της διασποράς διέρχεται από τη ζώνη σπηλαίωσης υπερήχων με εξαιρετικά ελεγχόμενο τρόπο, εξασφαλίζοντας πολύ ομοιόμορφη κατεργασία.
• Χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας: Οι διασπορείς υπερήχων συνήθως απαιτούν λιγότερη ενέργεια από άλλες τεχνολογίες, μειώνοντας το λειτουργικό κόστος.
• Ευελιξία: Οι διασπορείς υπερήχων μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως ομογενοποίηση, γαλακτωματοποίηση, διασπορά και αποσυσσωμάτωση. Μπορούν επίσης να επεξεργαστούν ποικίλα υλικά, συμπεριλαμβανομένων λειαντικών υλικών, ινών, διαβρωτικών υγρών, ακόμη και αερίων.

Χάρη σε αυτά τα πλεονεκτήματα της διεργασίας, καθώς και στην αξιοπιστία και την απλή λειτουργία τους, οι διασπορείς υπερήχων υπερτερούν έναντι των εναλλακτικών τεχνολογιών ανάμειξης, γεγονός που τους καθιστά δημοφιλή επιλογή για πολλές βιομηχανικές εφαρμογές.

Διασπορά και αποσυσσωμάτωση με υπερήχους σε οποιαδήποτε κλίμακα

Η Hielscher προσφέρει συσκευές υπερήχων για τη διασπορά και την αποσυσσωμάτωση οποιουδήποτε όγκου, για επεξεργασία κατά παρτίδες ή εντός γραμμής. Οι εργαστηριακές συσκευές υπερήχων χρησιμοποιούνται για όγκους από 1,5mL έως περίπου 2L. Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων χρησιμοποιούνται στην ανάπτυξη διεργασιών και στην παραγωγή για παρτίδες από 0,5 έως περίπου 2000L ή για παροχές από 0,1L έως 20m³ ανά ώρα.

Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης, διασπείροντας και αλέθοντας έτσι αξιόπιστα τα σωματίδια σε νανοκλίμακα. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ειδικά προσαρμοσμένα ηχοτρόδια υπερήχων.

Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:

Διασπορά νανοσωλήνων άνθρακα με υπερήχους – Η συσκευή υπερήχων UP400S (400W) της Hielscher διασπείρει και αποπλέκει τους νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) γρήγορα και αποτελεσματικά, διαχωρίζοντάς τους σε μεμονωμένους νανοσωλήνες.

Πλεονεκτήματα της διασποράς με υπερήχους: Εύκολη αύξηση της κλίμακας

Σε αντίθεση με άλλες τεχνολογίες διασποράς, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί εύκολα να κλιμακωθεί από την εργαστηριακή κλίμακα στην κλίμακα παραγωγής. Οι εργαστηριακές δοκιμές επιτρέπουν την ακριβή επιλογή του απαιτούμενου μεγέθους του εξοπλισμού. Όταν η διεργασία εφαρμόζεται στην τελική κλίμακα, τα αποτελέσματά της είναι πανομοιότυπα με τα εργαστηριακά αποτελέσματα.

Συσκευές υπερήχων: Ανθεκτικές και εύκολες στον καθαρισμό

Η ισχύς των υπερήχων μεταδίδεται στο υγρό μέσω ενός ηχοτροδίου. Πρόκειται για ένα εξάρτημα συνήθως συμμετρικό εκ περιστροφής, το οποίο κατασκευάζεται με μηχανουργική κατεργασία από συμπαγές τιτάνιο αεροπορικής ποιότητας. Είναι επίσης το μόνο κινούμενο / δονούμενο εξάρτημα που έρχεται σε επαφή με το υγρό. Είναι το μόνο εξάρτημα που υπόκειται σε φθορά και μπορεί να αντικατασταθεί εύκολα μέσα σε λίγα λεπτά. Οι φλάντζες αποσύζευξης των ταλαντώσεων επιτρέπουν την τοποθέτηση του ηχοτροδίου σε ανοικτά ή κλειστά δοχεία που μπορούν να τεθούν υπό πίεση ή σε κυψελίδες ροής, με οποιονδήποτε προσανατολισμό. Δεν απαιτούνται έδρανα. Όλα τα άλλα εξαρτήματα που έρχονται σε επαφή με το υγρό κατασκευάζονται γενικά από ανοξείδωτο χάλυβα. Οι αντιδραστήρες κυψελίδας ροής έχουν απλές γεωμετρίες και μπορούν εύκολα να αποσυναρμολογηθούν και να καθαριστούν, π.χ. με έκπλυση και σκούπισμα του εσωτερικού τους. Δεν υπάρχουν μικρά στόμια ή κρυφές γωνίες.

Επιτόπιος καθαρισμός με υπερήχους

Οι υπέρηχοι είναι ευρέως γνωστοί για τις εφαρμογές καθαρισμού τους, όπως ο καθαρισμός επιφανειών και εξαρτημάτων. Η ένταση των υπερήχων που χρησιμοποιείται σε εφαρμογές διασποράς είναι πολύ υψηλότερη από εκείνη που χρησιμοποιείται στον συνήθη καθαρισμό με υπερήχους. Όσον αφορά τον καθαρισμό των εξαρτημάτων της συσκευής υπερήχων που έρχονται σε επαφή με το υγρό, η ισχύς των υπερήχων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την υποβοήθηση του καθαρισμού κατά την έκπλυση και το ξέπλυμα, καθώς η υπερηχητική / ακουστική σπηλαίωση απομακρύνει σωματίδια και υπολείμματα υγρών από το ηχοτρόδιο και από τα τοιχώματα της κυψελίδας ροής.

---

---

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• 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.