Ultraheli dispergeerimine ja deaglomeratsioon

Tahkete ainete dispergeerimine ja deaglomeratsioon vedelikesse on jõuultraheli ja sondtüüpi sonikaatorite oluline rakendus. Ultraheli kavitatsioon tekitab erakordselt tugeva nihke, mis lõhub osakeste aglomeraadid üksikuteks dispergeeritud osakesteks. Tänu lokaalselt koondatud tugevatele nihkejõududele sobib ultraheli töötlus (sonikeerimine) ideaalselt mikromeetri- ja nanomõõtmetes dispersioonide valmistamiseks katsetamisel, teadus- ja arendustöös ning loomulikult ka tööstuslikus tootmises.

Pulbrite segamine vedelikesse on levinud etapp mitmesuguste toodete, näiteks värvide, tintide, kosmeetika, jookide, hüdrogeelide või poleerimisvahendite koostamisel. Üksikuid osakesi hoiavad koos mitmesuguse füüsikalise ja keemilise iseloomuga külgetõmbejõud, sealhulgas van der Waalsi jõud ja vedeliku pindpinevus. See mõju on tugevam suurema viskoossusega vedelike, näiteks polümeeride või vaikude puhul. Osakeste deaglomeratsiooniks ja dispergeerimiseks vedelasse keskkonda tuleb need külgetõmbejõud ületada. Lugege allpool, miks on ultraheli homogenisaatorid ülimad dispergeerimisseadmed submikromeetrise ja nanomõõtmetes osakeste dispergeerimiseks laboris ja tööstuses.

Tahkete ainete ultraheli dispergeerimine vedelikesse

Ultraheli homogenisaatorite tööpõhimõte põhineb akustilise kavitatsiooni nähtusel. Akustilise kavitatsiooni teadaolev omadus on intensiivsete füüsikaliste jõudude, sealhulgas väga tugevate nihkejõudude tekitamine. Mehaaniline koormus lõhub osakeste aglomeraadid laiali. Lisaks surutakse vedelik osakeste vahele.
Pulbrite dispergeerimiseks vedelikesse on kaubanduslikult saadaval mitmesuguseid tehnoloogiaid, näiteks kõrgsurvehomogenisaatorid, segamisega kuulveskid, põrkejoaveskid ja rootor-stator-segistid. Ultraheli dispergeerijatel on aga olulisi eeliseid. Lugege allpool, kuidas ultraheli dispergeerimine toimib ja millised on ultraheli dispergeerimise eelised.

Video näitab punase värvaine ultrahelidispergeerimist seadmega UP400St ja sondiga S24d 22mm.

 

Ultraheli kavitatsiooni ja dispergeerimise tööpõhimõte

Ultraheli töötluse (sonikeerimise) ajal tekitavad kõrgsageduslikud helilained vedelas keskkonnas vahelduvaid kokkusurumis- ja hõrenemispiirkondi. Kui helilained keskkonda läbivad, tekitavad nad mullid, mis kiiresti paisuvad ja seejärel vägivaldselt kokku kukuvad. Seda protsessi nimetatakse akustiliseks kavitatsiooniks. Mullide kokkukukkumisel tekivad kõrgsurve-lööklained, mikrojoad ja nihkejõud, mis suudavad suuremaid osakesi ja aglomeraate väiksemateks osakesteks lõhkuda. Ultraheli dispergeerimisprotsessides toimivad dispersioonis olevad osakesed ise jahvatuskeskkonnana. Ultraheli kavitatsiooni nihkejõudude poolt kiirendatuna põrkuvad osakesed omavahel kokku ja purunevad pisikesteks killukesteks. Kuna ultraheliga töödeldavale dispersioonile ei lisata kuule ega helmeid, välditakse täielikult nii jahvatuskeskkonna aeganõudev ja töömahukas eraldamine ja puhastamine kui ka saastumine.
See muudab ultraheli töötluse (sonikeerimise) osakeste dispergeerimisel ja deaglomeratsioonil nii tõhusaks, isegi nende osakeste puhul, mida on muude meetoditega raske lõhkuda. Tulemuseks on osakeste ühtlasem jaotus, mis parandab toote kvaliteeti ja toimivust.
Lisaks saab ultraheli töötlusega hõlpsasti käsitseda, dispergeerida ja sünteesida nanomaterjale, näiteks nanosfääre, nanokristalle, nanolehti, nanokiude, nanotraate, tuum-kest-osakesi ja muid keerukaid struktuure.
Samuti saab ultraheli töötlust (sonikeerimist) teha suhteliselt lühikese ajaga, mis on suur eelis teiste dispergeerimistehnikatega võrreldes.

Ultraheli dispergeerijate eelised alternatiivsete segamistehnoloogiate ees

Ultraheli dispergeerijatel on mitu eelist alternatiivsete segamistehnoloogiate, näiteks kõrgsurvehomogenisaatorite, kuulveskites jahvatamise või rootor-stator-segamise ees. Mõned silmapaistvamad eelised on järgmised:

• Parem osakeste suuruse vähendamine: Ultraheli dispergaatorid suudavad osakeste suurust tõhusalt vähendada nanomeetrite vahemikku, mis paljude teiste segamistehnoloogiatega pole võimalik. See muudab need ideaalseks rakenduste jaoks, kus peen osakeste suurus on kriitilise tähtsusega.
• Kiirem segamine: Ultraheli dispergaatorid suudavad materjale segada ja dispergeerida kiiremini kui paljud teised tehnoloogiad, mis säästab aega ja suurendab tootlikkust.
• Saastumine puudub: Ultraheli dispergaatorid ei vaja jahvatuskeskkonda, nagu helmed või pärlid, mis saastavad dispersiooni abrasiooni tõttu.
• Parem tootekvaliteet: Ultraheli dispergaatorid suudavad toota ühtlasemaid segusid ja suspensioone, mille tulemuseks on parem tootekvaliteet ja ühtlus. Eriti läbivoolurežiimis läbib dispersiooni suspensioon ultraheli kavitatsioonitsooni väga kontrollitult, tagades väga ühtlase töötluse.
• Väiksem energiatarve: Ultraheli dispergaatorid vajavad tavaliselt vähem energiat kui teised tehnoloogiad, mis vähendab tegevuskulusid.
• Mitmekülgsus: Ultraheli dispergaatoreid saab kasutada paljudes erinevates rakendustes, sealhulgas homogeniseerimiseks, emulgeerimiseks, dispergeerimiseks ja deagglomeratsiooniks. Nad suudavad töödelda ka mitmesuguseid materjale, sealhulgas abrasiivseid materjale, kiude, korrosiivseid vedelikke ja isegi gaase.

Tänu nendele protsessieelistele ning töökindlusele ja lihtsale käsitsemisele edestavad ultraheli dispergaatorid alternatiivseid segamistehnoloogiaid, muutes need populaarseks valikuks paljudes tööstuslikes rakendustes.

Ultraheli dispergeerimine ja deagglomeratsioon igas mastaabis

Hielscher pakub ultraheliseadmeid mis tahes mahu dispergeerimiseks ja deagglomeratsiooniks partii- või inline-töötluses. Ultraheli laborseadmeid kasutatakse mahtudele alates 1,5mL kuni ligikaudu 2L. Tööstuslikke ultraheliseadmeid kasutatakse protsessi arenduses ja tootmises partiidele alates 0,5 kuni ligikaudu 2000L või vooluhulkadele 0,1L kuni 20m³ tunnis.

Hielscher Ultrasonics tööstuslikud ultraheliprotsessorid suudavad pakkuda väga suuri amplituude, dispergeerides ja jahvatades osakesi töökindlalt nanomastaabini. Kuni 200µm amplituude saab hõlpsasti pidevalt kasutada ööpäevaringses 24/7 töös. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.

Allolev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Süsiniknanotorude dispergeerimine ultraheliga – Hielscher ultraheliseade UP400S (400W) dispergeerib süsiniknanotorusid ning harutab need kiiresti ja tõhusalt üksikuteks nanotorudeks.

Ultraheli dispergeerimise eelised: lihtne mastaapimine

Erinevalt teistest dispergeerimistehnoloogiatest saab ultraheli töötlust hõlpsasti laborimastaabist tootmismastaapi suurendada. Laborikatsed võimaldavad vajaliku seadme suuruse täpselt valida. Lõppmastaabis kasutamisel on protsessi tulemused identsed laboritulemustega.

Sonikaatorid: töökindlad ja lihtsasti puhastatavad

Ultraheli võimsus kantakse vedelikku üle sonotroodi kaudu. See on tavaliselt pöörlemissümmeetriline detail, mis on töödeldud massiivsest lennukikvaliteediga titaanist. See on ka ainus liikuv / vibreeriv vedelikuga kokkupuutuv detail. See on ainus detail, mis kulub, ja selle saab mõne minutiga hõlpsasti välja vahetada. Vibratsiooni lahtisidestavad äärikud võimaldavad sonotroodi paigaldada avatud või suletud survestatavatesse mahutitesse või läbivoolukameratesse mis tahes asendis. Laagreid pole vaja. Kõik muud vedelikuga kokkupuutuvad detailid on üldjuhul valmistatud roostevabast terasest. Läbivoolukamberreaktoritel on lihtne geomeetria ning neid saab hõlpsasti lahti võtta ja puhastada, nt loputades ja puhtaks pühkides. Väikseid avasid või peidetud nurki pole.

Kohapealne ultraheli puhastus

Ultraheli on hästi tuntud oma puhastusrakenduste poolest, näiteks pindade ja detailide puhastamisel. Dispergeerimisrakendustes kasutatav ultrahelitugevus on palju suurem kui tüüpilisel ultrahelipuhastusel. Ultraheliseadme vedelikuga kokkupuutuvate osade puhastamisel saab ultraheli võimsust kasutada puhastamise toetamiseks loputamise ja uhtmise ajal, sest ultraheli- / akustiline kavitatsioon eemaldab osakesed ja vedelikujäägid sonotroodilt ja läbivoolukambri seintelt.

---

---

Kirjandus / viited

• 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.