Η διασπορά και η αποσυσσωμάτωση των στερεών σε υγρά είναι μια σημαντική εφαρμογή υπερήχων ισχύος και υπερήχων τύπου ανιχνευτή. Υπερήχων σπηλαίωση δημιουργεί εξαιρετικά υψηλή διάτμηση που σπάει σωματιδίων συσσωματώματα σε ενιαία διασκορπισμένα σωματίδια. Λόγω των τοπικά εστιασμένων υψηλών δυνάμεων διάτμησης, υπερήχηση είναι ιδανικό για την παραγωγή διασπορών mircon- και νανο-μεγέθους για πειραματισμό, έρευνα και ανάπτυξη, και φυσικά για βιομηχανική παραγωγή.

Η ανάμειξη σκονών σε υγρά είναι ένα κοινό βήμα στη διαμόρφωση διαφόρων προϊόντων, όπως χρώματα, μελάνι, καλλυντικά, ποτά, υδρογέλες ή μέσα στίλβωσης. Τα μεμονωμένα σωματίδια συγκρατούνται μεταξύ τους από δυνάμεις έλξης διαφόρων φυσικών και χημικών φύσεων, συμπεριλαμβανομένων των δυνάμεων van der Waals και της υγρής επιφανειακής τάσης. Αυτή η επίδραση είναι ισχυρότερη για υγρά υψηλότερου ιξώδους, όπως πολυμερή ή ρητίνες. Οι δυνάμεις έλξης πρέπει να ξεπεραστούν για να αποσυμπιεστούν και να διασκορπιστούν τα σωματίδια σε υγρά μέσα. Διαβάστε παρακάτω γιατί οι ομογενοποιητές υπερήχων είναι ο ανώτερος εξοπλισμός διασποράς για τη διασπορά σωματιδίων υπομικρονίων και νανο-μεγέθους στο εργαστήριο και τη βιομηχανία.

Υπερηχητική διασπορά στερεών σε υγρά

Η αρχή λειτουργίας των ομογενοποιητών υπερήχων βασίζεται στο φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης. Η ακουστική σπηλαίωση είναι γνωστό ότι δημιουργεί έντονες φυσικές δυνάμεις, συμπεριλαμβανομένων πολύ ισχυρών δυνάμεων διάτμησης. Η εφαρμογή μηχανικής καταπόνησης διασπά τα συσσωματώματα σωματιδίων. Επίσης, το υγρό πιέζεται μεταξύ των σωματιδίων.
Ενώ για τη διασπορά σκονών σε υγρά, διατίθενται στο εμπόριο διάφορες τεχνολογίες όπως ομογενοποιητές υψηλής πίεσης, μύλοι σφαιριδίων αναδευτήρα, μύλοι εκτόξευσης πρόσκρουσης και μίξερ ρότορα-στάτορα. Ωστόσο, οι υπερηχητικοί διασκορπιστές έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα. Διαβάστε παρακάτω πώς λειτουργεί η υπερηχητική διασπορά και ποια είναι τα πλεονεκτήματα της υπερηχητικής διασποράς.

 

 

Η αρχή λειτουργίας της υπερηχητικής σπηλαίωσης και διασποράς

Κατά τη διάρκεια της υπερήχησης, τα ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας δημιουργούν εναλλασσόμενες περιοχές συμπίεσης και αραίωσης στο υγρό μέσο. Καθώς τα ηχητικά κύματα περνούν μέσα από το μέσο, δημιουργούν φυσαλίδες που επεκτείνονται γρήγορα και στη συνέχεια καταρρέουν βίαια. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ακουστική σπηλαίωση. Η κατάρρευση των φυσαλίδων δημιουργεί κρουστικά κύματα υψηλής πίεσης, μικροεκτοξευτήρες και δυνάμεις διάτμησης που μπορούν να διασπάσουν μεγαλύτερα σωματίδια και συσσωματώματα σε μικρότερα σωματίδια. Στις διαδικασίες διασποράς με υπερήχους, τα ίδια τα σωματίδια στη διασπορά λειτουργούν ως μέσο άλεσης. Επιταχύνονται από τις δυνάμεις διάτμησης της υπερηχητικής σπηλαίωσης, τα σωματίδια συγκρούονται μεταξύ τους και θρυμματίζονται σε μικροσκοπικά θραύσματα. Δεδομένου ότι δεν προστίθενται χάντρες ή μαργαριτάρια στη διασπορά που έχει υποστεί επεξεργασία με υπερήχους, αποφεύγεται εντελώς ο χρονοβόρος και έντονος στην εργασία διαχωρισμός και ο καθαρισμός των μέσων άλεσης καθώς και η μόλυνση.
Αυτό καθιστά κατεργασία με υπερήχους τόσο αποτελεσματική στη διασπορά και αποσυσσωμάτωση σωματιδίων, ακόμη και εκείνων που είναι δύσκολο να διασπαστούν με άλλες μεθόδους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια πιο ομοιόμορφη κατανομή των σωματιδίων, οδηγώντας σε βελτιωμένη ποιότητα και απόδοση του προϊόντος.
Επιπλέον, υπερήχηση μπορεί εύκολα να χειριστεί, να διασκορπίσει και να συνθέσει νανοϋλικά όπως νανοσφαιρίδια, νανοκρύσταλλοι, νανοσύνδεσμοι, νανοΐνες, νανοσύρματα, σωματίδια πυρήνα-κελύφους και άλλες πολύπλοκες δομές.
Επιπλέον, υπερήχηση μπορεί να πραγματοποιηθεί σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα, το οποίο είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι άλλων τεχνικών διασποράς.

Πλεονεκτήματα των υπερηχητικών διασκορπιστών έναντι εναλλακτικών τεχνολογιών ανάμιξης

Οι υπερηχητικοί διασκορπιστές προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι εναλλακτικών τεχνολογιών ανάμιξης, όπως ομογενοποιητές υψηλής πίεσης, φρεζάρισμα σφαιριδίων ή ανάμιξη ρότορα-στάτορα. Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν:

• Βελτιωμένη μείωση μεγέθους σωματιδίων: Οι υπερηχητικοί διασκορπιστές μπορούν να μειώσουν αποτελεσματικά τα μεγέθη σωματιδίων στο εύρος νανομέτρων, κάτι που δεν είναι δυνατό με πολλές άλλες τεχνολογίες ανάμειξης. Αυτό τα καθιστά ιδανικά για εφαρμογές όπου ένα λεπτό μέγεθος σωματιδίων είναι κρίσιμο.
• Ταχύτερη ανάμιξη: Οι υπερηχητικοί διασκορπιστές μπορούν να αναμείξουν και να διασκορπίσουν τα υλικά γρηγορότερα από πολλές άλλες τεχνολογίες, γεγονός που εξοικονομεί χρόνο και αυξάνει την παραγωγικότητα.
• Καμία μόλυνση: Οι υπερηχητικοί διασκορπιστές δεν απαιτούν τη χρήση μέσων άλεσης auch ως χάντρες ή μαργαριτάρια, τα οποία μολύνουν τη διασπορά με τριβή.
• Καλύτερη ποιότητα προϊόντος: Οι υπερηχητικοί διασκορπιστές μπορούν να παράγουν πιο ομοιόμορφα μείγματα και εναιωρήματα, με αποτέλεσμα καλύτερη ποιότητα και συνέπεια του προϊόντος. Ειδικά σε λειτουργία ροής, ο πολτός διασποράς διέρχεται από τη ζώνη σπηλαίωσης υπερήχων με εξαιρετικά ελεγχόμενο τρόπο εξασφαλίζοντας μια πολύ ομοιόμορφη θεραπεία.
• Χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας: Οι υπερηχητικοί διασκορπιστές συνήθως απαιτούν λιγότερη ενέργεια από άλλες τεχνολογίες, γεγονός που μειώνει το λειτουργικό κόστος.
• Ευλυγισία: Οι υπερηχητικοί διασκορπιστές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της ομογενοποίησης, της γαλακτωματοποίησης, της διασποράς και της αποσυσσωμάτωσης. Μπορούν επίσης να χειριστούν μια ποικιλία υλικών, συμπεριλαμβανομένων λειαντικών υλικών, ινών, διαβρωτικών υγρών, ακόμη και αερίων.

Λόγω αυτών των πλεονεκτημάτων της διαδικασίας, καθώς και της αξιοπιστίας και της απλής λειτουργίας, οι υπερηχητικοί διασκορπιστές ξεπερνούν τις εναλλακτικές τεχνολογίες ανάμιξης, καθιστώντας τους μια δημοφιλή επιλογή για πολλές βιομηχανικές εφαρμογές.

Υπερηχητική διασπορά και αποσυσσωμάτωση σε οποιαδήποτε κλίμακα

Hielscher προσφέρει συσκευές υπερήχων για τη διασπορά και την αποσυσσωμάτωση οποιουδήποτε όγκου για παρτίδα ή ενσωματωμένη επεξεργασία. Οι εργαστηριακές συσκευές υπερήχων χρησιμοποιούνται για όγκους από 1.5mL έως περίπου 2L. Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων χρησιμοποιούνται στη διαδικασία ανάπτυξης και παραγωγής για παρτίδες από 0,5 έως περίπου 2000L ή ρυθμούς ροής από 0,1L έως 20m³ ανά ώρα.

Hielscher Υπέρηχοι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων μπορούν να παραδώσουν πολύ υψηλά πλάτη, διασκορπίζοντας και φρέζοντας αξιόπιστα σωματίδια σε νανοκλίμακα. Πλάτη έως 200μm μπορούν εύκολα να λειτουργούν συνεχώς σε 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη για την κατά προσέγγιση ικανότητα επεξεργασίας των υπερήχων μας:

Πλεονεκτήματα της υπερηχητικής διασποράς: Εύκολη κλιμάκωση

Διαφορετικά από άλλες τεχνολογίες διασποράς, υπερήχους μπορεί να κλιμακωθεί εύκολα από το εργαστήριο στο μέγεθος παραγωγής. Οι εργαστηριακές δοκιμές θα επιτρέψουν την ακριβή επιλογή του απαιτούμενου μεγέθους εξοπλισμού. Όταν χρησιμοποιούνται στην τελική κλίμακα, τα αποτελέσματα της διαδικασίας είναι πανομοιότυπα με τα εργαστηριακά αποτελέσματα.

Υπερήχων: Ισχυρή και εύκολη στον καθαρισμό

Η υπερηχητική ισχύς μεταδίδεται στο υγρό μέσω ενός sonotrode. Πρόκειται για ένα τυπικά περιστροφικό συμμετρικό τμήμα, το οποίο επεξεργάζεται από τιτάνιο στερεάς ποιότητας αεροσκάφους. Αυτό είναι επίσης το μόνο κινούμενο / δονούμενο βρεγμένο μέρος. Είναι το μόνο μέρος, που υπόκειται σε φθορά και μπορεί εύκολα να αντικατασταθεί μέσα σε λίγα λεπτά. Οι φλάντζες αποσύνδεσης ταλάντωσης επιτρέπουν την τοποθέτηση του sonotrode σε ανοιχτά ή κλειστά δοχεία υπό πίεση ή κυψέλες ροής σε οποιονδήποτε προσανατολισμό. Δεν χρειάζονται ρουλεμάν. Όλα τα άλλα βρεγμένα μέρη είναι γενικά κατασκευασμένα από ανοξείδωτο χάλυβα. Οι αντιδραστήρες κυψελών ροής έχουν απλές γεωμετρίες και μπορούν εύκολα να αποσυναρμολογηθούν και να καθαριστούν, π.χ. με έκπλυση και σκούπισμα. Δεν υπάρχουν μικρά στόμια ή κρυφές γωνίες.

Ultrasonic Cleaner στην Place

Ο υπέρηχος είναι γνωστός για τις εφαρμογές καθαρισμού, μια τέτοια επιφάνεια, τον καθαρισμό εξαρτημάτων. Η ένταση υπερήχων που χρησιμοποιείται για εφαρμογές διασποράς είναι πολύ υψηλότερη από ό, τι για τον τυπικό καθαρισμό με υπερήχους. Όταν πρόκειται για τον καθαρισμό των βρεγμένων τμημάτων της συσκευής υπερήχων, η υπερηχητική ισχύς μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει στον καθαρισμό κατά τη διάρκεια της έκπλυσης και της έκπλυσης, καθώς η υπερηχητική / ακουστική σπηλαίωση αφαιρεί σωματίδια και υγρά υπολείμματα από το sonotrode και από τα τοιχώματα των κυττάρων ροής.

---

---

Λογοτεχνία / 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.