Dispersión y desaglomeración por ultrasonidos
La dispersión y desaglomeración de sólidos en líquidos es una aplicación importante de los ultrasonidos de potencia y los ultrasonidos de sonda. La cavitación ultrasónica genera un cizallamiento extraordinariamente alto que rompe los aglomerados de partículas en partículas individuales dispersas. Debido a sus elevadas fuerzas de cizallamiento localmente focalizadas, la sonicación es ideal para producir dispersiones de tamaño mircón y nanométrico para experimentación, investigación y desarrollo y, por supuesto, para la producción industrial.
La mezcla de polvos en líquidos es un paso habitual en la formulación de diversos productos, como pintura, tinta, 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 de los líquidos. Este efecto es mayor en los líquidos de mayor viscosidad, como los polímeros o las resinas. Las fuerzas de atracción deben superarse para desaglomerar y dispersar las partículas en el medio líquido. Lea a continuación por qué los homogeneizadores ultrasónicos son el equipo de dispersión superior para la dispersión de partículas de tamaño submicrónico y nanométrico en el laboratorio y la industria.
Ultrasonidos UP400St para la preparación de dispersiones de nanopartículas en 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 crea fuerzas físicas intensas, incluidas fuerzas de cizallamiento muy fuertes. La aplicación de tensión mecánica rompe los aglomerados de partículas. Además, el líquido es presionado entre las partículas.
Mientras que para la dispersión de polvos en líquidos existen en el mercado diversas tecnologías, como los homogeneizadores de alta presión, los molinos de bolas agitadoras, los molinos de chorro impelente 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 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, crean burbujas que se expanden rápidamente y luego se colapsan violentamente. Este proceso se denomina cavitación acústica. El colapso de las burbujas genera ondas de choque de alta presión, microjets y fuerzas de cizallamiento que pueden romper las partículas y aglomerados más grandes en partículas más pequeñas. En los procesos de dispersión por ultrasonidos, las propias partículas de la dispersión funcionan como medio de molturación. Aceleradas por las fuerzas de cizallamiento de la cavitación ultrasónica, las partículas chocan entre sí y se rompen en fragmentos diminutos. Dado que no se añaden perlas ni granos a la dispersión tratada por ultrasonidos, se evita por completo la separación y limpieza de los medios de molturación, que requiere mucho tiempo y trabajo, así como la contaminación.
Esto hace que la sonicación sea tan eficaz para dispersar y desaglomerar partículas, incluso las que son difíciles de romper con otros métodos. El resultado es una distribución más uniforme de las partículas, lo que mejora la calidad y el rendimiento del producto.
Además, la sonicación puede manipular, dispersar y sintetizar fácilmente nanomateriales como nanoesferas, nanocristales, nanohojas, nanofibras, nanohilos, partículas core-shell y otras estructuras complejas.
Además, la sonicación puede realizarse en un plazo de tiempo relativamente corto, lo que supone una gran ventaja 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 alternativas, como los homogeneizadores de alta presión, la molienda por microesferas o la mezcla rotor-estator. Algunas de las ventajas más destacadas son:
- Reducción mejorada del tamaño de las partículas: Los dispersores ultrasónicos pueden reducir eficazmente el tamaño de las partículas hasta el rango nanométrico, lo 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 crítico.
- 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.
- No hay contaminación: Los dispersores ultrasónicos no requieren el uso de medios de molienda como perlas o perlas, que contaminan la dispersión por abrasión.
- Mejor calidad del producto: Los dispersores ultrasónicos pueden producir mezclas y suspensiones más uniformes, lo que se traduce en una mejor calidad y consistencia del producto. Especialmente en el modo de flujo continuo, la lechada de dispersión pasa por la zona de cavitación ultrasónica de forma muy controlada, lo que garantiza un tratamiento muy uniforme.
- Menor consumo de energía: Los dispersores ultrasónicos suelen requerir menos energía que otras tecnologías, lo que reduce los costes de funcionamiento.
- Versatilidad: Los dispersores ultrasónicos pueden utilizarse para una amplia gama de aplicaciones, como homogeneización, emulsificación, dispersión y desaglomeración. También pueden manipular una gran variedad de materiales, como materiales abrasivos, fibras, líquidos corrosivos e incluso gases.
Debido a estas ventajas de proceso, así como a su fiabilidad y sencillo funcionamiento, los dispersores ultrasónicos superan a las tecnologías de mezcla alternativas, lo que los convierte en una opción popular para muchas aplicaciones industriales.
Dispersión ultrasónica de sílice pirógena en agua: Antes de la ultrasonicación, el tamaño de las partículas de sílice aglomerada es superior a 200 micras (D50). Tras la dispersión ultrasónica de la sílice pirógena, la mayoría de las partículas se redujeron a menos de 200 nanómetros.
Dispersión y desaglomeración por ultrasonidos a cualquier escala
Hielscher ofrece aparatos de ultrasonidos para la dispersión y desaglomeración de cualquier volumen para el procesamiento por lotes o en línea. Los dispositivos ultrasónicos de laboratorio se utilizan para volúmenes desde 1,5 ml hasta aproximadamente 2 litros. Los dispositivos ultrasónicos industriales se utilizan en el desarrollo y producción de procesos para lotes de 0,5 a aproximadamente 2.000 litros o caudales de 0,1 litros a 20 m³ por hora.
Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas, dispersando y moliendo partículas a escala nanométrica de forma fiable. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados.
Sistema de ultrasonidos de potencia industrial MultiSonoReactor para dispersión industrial en línea: Los ultrasonicadores de alto rendimiento son sistemas de mezcla en línea fiables y muy eficaces para la producción de nanodispersiones.
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos 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 150L | De 3 a 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000 |
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Ultrasonidos UIP1000hdT (1000 vatios) dispersión de nanorrellenos en barnices
Ventajas de la dispersión ultrasónica: Fácil de ampliar
A diferencia de otras tecnologías de dispersión, la ultrasonicación puede ampliarse fácilmente del tamaño de laboratorio al de producción. Las pruebas de laboratorio permiten seleccionar con precisión el tamaño de equipo necesario. Cuando se utiliza a escala final, los resultados del proceso son idénticos a los del laboratorio.
Ultrasonicadores: Robustos y fáciles de limpiar
La energía ultrasónica se transmite al líquido a través de un sonotrodo. Se trata de una pieza simétrica típicamente giratoria, mecanizada a partir de titanio macizo de calidad aeronáutica. También es la única parte húmeda móvil/vibrante. Es la única pieza sujeta a desgaste y puede sustituirse fácilmente en cuestión de minutos. Las bridas de desacoplamiento de la oscilación permiten montar el sonotrodo en contenedores presurizables abiertos o cerrados o en celdas de flujo en cualquier orientación. No se necesitan cojinetes. Todas las demás piezas húmedas suelen ser de acero inoxidable. Los reactores de celda de flujo tienen geometrías sencillas y pueden desmontarse y limpiarse fácilmente, por ejemplo, enjuagándolos y limpiándolos. No hay orificios pequeños ni esquinas ocultas.
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 para aplicaciones de dispersión es mucho mayor que para la limpieza ultrasónica típica. Cuando se trata de la limpieza de las partes húmedas del dispositivo ultrasónico, la potencia ultrasónica puede utilizarse para ayudar a la limpieza durante el lavado y el aclarado, ya que la cavitación ultrasónica / acústica elimina las partículas y los residuos líquidos del sonotrodo y de las paredes de la celda de flujo.
Literatura / 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 de grandes caudales.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.