Dispersión y desaglomeración ultrasónicas
La dispersión y desaglomeración de sólidos en líquidos es una aplicación importante de los ultrasonidos de potencia y los sonicadores de sonda. La cavitación ultrasónica genera un cizallamiento extraordinariamente elevado que rompe los aglomerados de partículas y los separa en partículas individuales dispersas. Gracias a sus elevadas fuerzas de cizallamiento concentradas localmente, la sonicación es ideal para producir dispersiones de tamaño mircon y nanométrico destinadas a la experimentación, la investigación y el desarrollo y, por supuesto, a la producción industrial.
La mezcla de polvos con líquidos es una etapa habitual en la formulación de diversos productos, como pinturas, tintas, cosméticos, bebidas, hidrogeles o medios de pulido. Las partículas individuales se mantienen unidas por fuerzas de atracción de diversa naturaleza física y química, incluidas las fuerzas de van der Waals y la tensión superficial del líquido. Este efecto es más intenso en líquidos de mayor viscosidad, como los polímeros o las resinas. Es necesario superar las fuerzas de atracción para desaglomerar y dispersar las partículas en medios líquidos. Lea a continuación por qué los homogeneizadores ultrasónicos son equipos de dispersión superiores para dispersar partículas de tamaño submicrométrico y nanométrico en el laboratorio y en la industria.
Sonicador ultrasónico UP400St para preparar dispersiones de nanopartículas por lotes.
Dispersión ultrasónica de sólidos en líquidos
El principio de funcionamiento de los homogeneizadores ultrasónicos se basa en el fenómeno de la cavitación acústica. Se sabe que la cavitación acústica genera fuerzas físicas intensas, incluidas fuerzas de cizallamiento muy elevadas. La aplicación de esfuerzos mecánicos rompe los aglomerados de partículas. Además, el líquido penetra a presión entre las partículas.
Para dispersar polvos en líquidos, existen diversas tecnologías disponibles comercialmente, como los homogeneizadores de alta presión, los molinos de perlas con agitador, los molinos de chorros de impacto y los mezcladores rotor-estator. Sin embargo, los dispersores ultrasónicos presentan ventajas significativas. Lea a continuación cómo funciona la dispersión ultrasónica y cuáles son sus ventajas.
Principio de funcionamiento de la cavitación y la dispersión ultrasónicas
Durante la sonicación, las ondas sonoras de alta frecuencia crean zonas alternas de compresión y rarefacción en el medio líquido. A medida que las ondas sonoras atraviesan el medio, generan burbujas que se expanden rápidamente y después colapsan de forma violenta. Este proceso se denomina cavitación acústica. El colapso de las burbujas genera ondas de choque de alta presión, microchorros y fuerzas de cizallamiento que pueden fragmentar partículas y aglomerados grandes en partículas más pequeñas. En los procesos de dispersión ultrasónica, las propias partículas de la dispersión actúan como medio de molienda. Aceleradas por las fuerzas de cizallamiento de la cavitación ultrasónica, las partículas chocan entre sí y se rompen en fragmentos diminutos. Como no se añaden bolas ni perlas a la dispersión tratada con ultrasonidos, se evitan por completo tanto la separación y limpieza de los medios de molienda, que requieren mucho tiempo y trabajo, como la contaminación.
Por ello, la sonicación es tan eficaz para dispersar y desaglomerar partículas, incluso aquellas que resultan difíciles de fragmentar con otros métodos. Esto permite obtener una distribución más uniforme de las partículas, lo que mejora la calidad y el rendimiento del producto.
Además, la sonicación permite procesar, dispersar y sintetizar fácilmente nanomateriales como nanoesferas, nanocristales, nanoláminas, nanofibras, nanohilos, partículas de núcleo y recubrimiento y otras estructuras complejas.
Asimismo, la sonicación puede realizarse en un tiempo relativamente breve, lo que supone una ventaja importante frente a otras técnicas de dispersión.
Ventajas de los dispersores ultrasónicos frente a otras tecnologías de mezcla
Los dispersores ultrasónicos ofrecen varias ventajas frente a otras tecnologías de mezcla, como los homogeneizadores de alta presión, la molienda con perlas o la mezcla mediante rotor-estator. Algunas de las ventajas más destacadas son:
- Mayor reducción del tamaño de las partículas: Los dispersores ultrasónicos pueden reducir eficazmente el tamaño de las partículas hasta el intervalo nanométrico, algo que no es posible con muchas otras tecnologías de mezcla. Esto los hace ideales para aplicaciones en las que un tamaño de partícula fino es fundamental.
- Mezcla más rápida: Los dispersores ultrasónicos pueden mezclar y dispersar materiales más rápidamente que muchas otras tecnologías, lo que ahorra tiempo y aumenta la productividad.
- Sin contaminación: Los dispersores ultrasónicos no requieren medios de molienda, como bolas o perlas, que contaminan la dispersión por abrasión.
- Mejor calidad del producto: Los dispersores ultrasónicos pueden producir mezclas y suspensiones más uniformes, lo que mejora la calidad y la uniformidad del producto. Especialmente en el funcionamiento en flujo continuo, la suspensión que se está dispersando atraviesa la zona de cavitación ultrasónica de forma muy controlada, lo que garantiza un tratamiento muy uniforme.
- Menor consumo energético: Los dispersores ultrasónicos suelen requerir menos energía que otras tecnologías, lo que reduce los costes operativos.
- Versatilidad: Los dispersores ultrasónicos pueden utilizarse en una amplia gama de aplicaciones, incluidas la homogeneización, la emulsificación, la dispersión y la desaglomeración. También pueden procesar diversos materiales, incluidos materiales abrasivos, fibras, líquidos corrosivos e incluso gases.
Gracias a estas ventajas de proceso, así como a su fiabilidad y facilidad de uso, los dispersores ultrasónicos superan a otras tecnologías de mezcla, por lo que son una opción habitual en numerosas aplicaciones industriales.
Sonicador ultrasónico UIP1000hdT (1000 vatios) dispersando nanocargas en barnices
Dispersión ultrasónica de sílice pirogénica en agua: antes de la ultrasonicación, el tamaño de las partículas aglomeradas de sílice es superior a 200 micrómetros (D50). Tras la dispersión ultrasónica de la sílice pirogénica, el tamaño de la mayoría de las partículas se redujo a menos de 200 nanómetros.
Dispersión y desaglomeración ultrasónicas a cualquier escala
Hielscher ofrece equipos ultrasónicos para dispersar y desaglomerar cualquier volumen mediante procesamiento por lotes o en línea. Los equipos ultrasónicos de laboratorio se utilizan para volúmenes de 1,5 mL a aproximadamente 2 L. Los equipos ultrasónicos industriales se utilizan en el desarrollo de procesos y en la producción para lotes de 0,5 a aproximadamente 2000 L o caudales de 0,1 L a 20 m³ por hora.
Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas, lo que permite dispersar y moler partículas de forma fiable hasta la escala nanométrica. Pueden funcionar fácilmente de forma continua con amplitudes de hasta 200 µm en régimen 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados.
Sistema industrial de ultrasonidos de potencia MultiSonoReactor para dispersión industrial en línea: Los sonicadores ultrasónicos de alto rendimiento son sistemas de mezcla en línea fiables y muy eficientes para producir nanodispersiones.
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 0,5 a 1,5 mL | n.a. | VialTweeter | 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150 L | 3 a 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
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Sonicador ultrasónico UIP1000hdT (1000 vatios) dispersando nanocargas en barnices
Ventajas de la dispersión ultrasónica: facilidad de escalado
A diferencia de otras tecnologías de dispersión, la ultrasonicación puede escalarse fácilmente desde el laboratorio hasta la escala de producción. Las pruebas de laboratorio permiten seleccionar con precisión el tamaño de equipo necesario. A escala final, los resultados del proceso son idénticos a los obtenidos en el laboratorio.
Sonicadores ultrasónicos: robustos y fáciles de limpiar
La potencia ultrasónica se transmite al líquido mediante un sonotrodo. Se trata de una pieza que normalmente presenta simetría de revolución y se mecaniza a partir de titanio macizo de calidad aeronáutica. Es también la única pieza en contacto con el líquido que se mueve o vibra. Es la única pieza sometida a desgaste y puede sustituirse fácilmente en cuestión de minutos. Las bridas de desacoplamiento de las oscilaciones permiten montar el sonotrodo en recipientes abiertos o cerrados presurizables, o en celdas de flujo, en cualquier orientación. No se necesitan rodamientos. Todas las demás piezas en contacto con el líquido suelen ser de acero inoxidable. Los reactores de celda de flujo tienen geometrías sencillas y pueden desmontarse y limpiarse fácilmente, por ejemplo, mediante lavado por circulación y limpieza con un paño. No hay orificios pequeños ni rincones ocultos.
Limpieza ultrasónica in situ
Los ultrasonidos son bien conocidos por sus aplicaciones de limpieza, como la limpieza de superficies y piezas. La intensidad ultrasónica utilizada en las aplicaciones de dispersión es mucho mayor que la empleada en la limpieza ultrasónica habitual. Para limpiar las piezas del equipo ultrasónico que están en contacto con el líquido, la potencia ultrasónica puede ayudar durante el lavado por circulación y el enjuague, ya que la cavitación ultrasónica / acústica elimina las partículas y los residuos líquidos del sonotrodo y de las paredes de la celda de flujo.
Bibliografía / Referencias
- 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.
Homogeneizador ultrasónico UIP6000hdT para el procesamiento industrial en línea con grandes capacidades de producción.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde la escala de laboratorio hasta la escala industrial.