Tahkete ainete hajutamine ja deagglomeratsioon vedelikeks on võimsuse ultraheli ja sondi tüüpi sonikaatorite oluline rakendus. Ultraheli kavitatsioon tekitab erakordselt kõrge nihke, mis lagundab osakeste aglomeraadid üksikuteks dispergeeritud osakesteks. Tänu oma kohalikult keskendunud suurele nihkejõule on ultrahelitöötlus ideaalne mirkon- ja nano-suurusega dispersioonide tootmiseks eksperimenteerimiseks, uurimiseks ja arendamiseks ning muidugi tööstuslikuks tootmiseks.

Pulbrite segamine vedelikesse on tavaline samm erinevate toodete, näiteks värvi, tindi, kosmeetika, jookide, hüdrogeelide või poleerimisvahendite valmistamisel. Üksikuid osakesi hoiavad koos erineva füüsikalise ja keemilise iseloomuga tõmbejõud, sealhulgas van der Waalsi jõud ja vedeliku pindpinevus. See efekt on tugevam kõrgema viskoossusega vedelike, näiteks polümeeride või vaikude puhul. Tõmbejõud tuleb ületada, et osakesed deagglomereerida ja hajutada vedelasse keskkonda. Lugege allpool, miks ultraheli homogenisaatorid on suurepärased dispergeerivad seadmed submikronite ja nano-suurusega osakeste hajutamiseks laboris ja tööstuses.

Tahkete ainete ultraheli dispergeerimine vedelikesse

Ultraheli homogenisaatorite tööpõhimõte põhineb akustilise kavitatsiooni nähtusel. On teada, et akustiline kavitatsioon tekitab intensiivseid füüsilisi jõude, sealhulgas väga tugevaid nihkejõude. Mehaanilise koormuse rakendamine lõhub osakeste aglomeraadid laiali. Samuti pressitakse osakeste vahele vedelikku.
Kuigi pulbrite hajutamiseks vedelikesse, on kaubanduslikult saadaval mitmesugused tehnoloogiad, nagu kõrgsurve homogenisaatorid, segisti helmeste veskid, mõjutav reaktiivveskid ja rootor-staator-segisti. Kuid ultraheli dispergeerijatel on märkimisväärsed eelised. Lugege allpool, kuidas ultraheli dispersioon toimib ja millised on ultraheli hajutamise eelised.

 

 

Ultraheli kavitatsiooni ja dispersiooni tööpõhimõte

Ultrahelitöötluse ajal tekitavad kõrgsageduslikud helilained vedelas keskkonnas vahelduvaid kokkusurumise ja haruldase ala. Kui helilained läbivad keskkonda, tekitavad nad mullid, mis kiiresti laienevad ja seejärel vägivaldselt kokku varisevad. Seda protsessi nimetatakse akustiliseks kavitatsiooniks. Mullide kokkuvarisemine tekitab kõrgsurve lööklaineid, mikrojoad ja nihkejõude, mis võivad lagundada suuremaid osakesi ja aglomeraate väiksemateks osakesteks. Ultraheli dispersiooniprotsessides toimivad dispersioonis olevad osakesed ise jahvatuskeskkonnana. Ultraheli kavitatsiooni nihkejõudude poolt kiirendatud osakesed põrkuvad üksteisega ja purunevad väikesteks fragmentideks. Kuna ultraheliga töödeldud dispersioonile ei lisata helmeid ega pärleid, välditakse täielikult aeganõudvat ja töömahukat freeskandjate eraldamist ja puhastamist ning saastumist.
See muudab ultrahelitöötluse nii tõhusaks osakeste hajutamisel ja deagglomereerimisel, isegi nendel, mida on teiste meetoditega raske lagundada. Selle tulemuseks on osakeste ühtlasem jaotumine, mis toob kaasa toote kvaliteedi ja jõudluse paranemise.
Lisaks võib ultrahelitöötlus hõlpsasti käsitseda, hajutada ja sünteesida nanomaterjale, nagu nanosfäärid, nanokristallid, nanolehed, nanokiud, nanotraadid, südamiku kesta osakesed ja muud keerulised struktuurid.
Lisaks saab ultrahelitöötlust teostada suhteliselt lühikese aja jooksul, mis on suur eelis teiste dispersioonitehnikate ees.

Ultraheli dispergeerijate eelised alternatiivsete segamistehnoloogiate ees

Ultraheli dispergeerijad pakuvad mitmeid eeliseid alternatiivsete segamistehnoloogiate ees, nagu kõrgsurve homogenisaatorid, helmeste freesimine või rootor-staatori segamine. Mõned silmapaistvamad eelised on järgmised:

• Täiustatud osakeste suuruse vähendamine: Ultraheli dispergeerijad võivad tõhusalt vähendada osakeste suurusi nanomeetri vahemikku, mis ei ole paljude teiste segamistehnoloogiate puhul võimalik. See muudab need ideaalseks rakenduste jaoks, kus peenosakeste suurus on kriitiline.
• Kiirem segamine: Ultraheli dispergeerijad võivad materjale segada ja hajutada kiiremini kui paljud teised tehnoloogiad, mis säästab aega ja suurendab tootlikkust.
• Saastumine puudub: Ultraheli dispergeerijad ei nõua freesimiskandjate kasutamist helmeste või pärlitena, mis saastavad dispersiooni hõõrdumise teel.
• Parem toote kvaliteet: Ultraheli dispergeerijad võivad toota ühtlasemaid segusid ja suspensioone, mille tulemuseks on parem toote kvaliteet ja konsistents. Eriti läbivoolurežiimis läbib dispersiooni läga ultraheli kavitatsioonitsooni väga kontrollitud viisil, tagades väga ühtlase ravi.
• Väiksem energiatarbimine: Ultraheli dispergeerijad vajavad tavaliselt vähem energiat kui teised tehnoloogiad, mis vähendab tegevuskulusid.
• Mitmekülgsus: Ultraheli dispergeerijaid saab kasutada mitmesugusteks rakendusteks, sealhulgas homogeniseerimine, emulgeerimine, dispersioon ja deagglomeratsioon. Samuti saavad nad hakkama mitmesuguste materjalidega, sealhulgas abrasiivsete materjalide, kiudude, söövitavate vedelike ja isegi gaasidega.

Tänu nendele protsessi eelistele, samuti usaldusväärsusele ja lihtsale toimimisele ületavad ultraheli dispergeerijad alternatiivseid segamistehnoloogiaid, muutes need populaarseks valikuks paljude tööstuslike rakenduste jaoks.

Ultraheli hajutamine ja deagglomeratsioon mis tahes skaalal

Hielscher pakub ultraheli seadmeid mis tahes mahu hajutamiseks ja deagglomeratsiooniks partii või inline töötlemiseks. Ultraheli laboriseadmeid kasutatakse mahtudes 1,5 ml kuni umbes 2L. Tööstuslikke ultraheli seadmeid kasutatakse protsessi arendamisel ja tootmisel partiidele 0,5 kuni umbes 2000L või voolukiirusega 0,1L kuni 20m³ tunnis.

Hielscher Ultrasonics tööstuslikud ultraheli protsessorid võivad pakkuda väga kõrgeid amplituudi, seeläbi usaldusväärselt hajutada ja freesida osakesi nanoskaalasse. Amplituudid kuni 200 μm saab hõlpsasti pidevalt käivitada 24/7 töös. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.

Alljärgnev tabel annab teile ülevaate meie ultrahelihitiste ligikaudse töötlemisvõimsusest:

Ultraheli dispersiooni eelised: lihtne suurendada

Erinevalt teistest hajutamistehnoloogiatest saab ultraheli kergesti suurendada laborist tootmise suuruseni. Laboratoorsed testid võimaldavad täpselt valida vajaliku seadme suuruse. Lõplikus skaalas kasutamisel on protsessi tulemused identsed laboritulemustega.

Ultrasonikaatorid: tugev ja kergesti puhastatav

Ultraheli võimsus edastatakse vedelikku sonotrode kaudu. See on tavaliselt pöörlev sümmeetriline osa, mis on töödeldud tahkest õhusõiduki kvaliteedist titaanist. See on ka ainus liikuv / vibreeriv niisutatud osa. See on ainus osa, mis on kulunud ja seda saab mõne minuti jooksul hõlpsasti asendada. Võnkumist lahutavad äärikud võimaldavad sonotrode paigaldada avatud või suletud survestatavatesse mahutitesse või voolurakkudesse mis tahes suunas. Laagreid pole vaja. Kõik muud niisutatud osad on tavaliselt valmistatud roostevabast terasest. Vooluelemendi reaktoritel on lihtne geomeetria ning neid saab hõlpsasti lahti võtta ja puhastada, näiteks loputades ja pühkides. Puuduvad väikesed avaused või peidetud nurgad.

Ultraheli puhastaja kohapeal

Ultraheli on tuntud oma puhastusrakenduste, sellise pinna, osade puhastamise poolest. Rakenduste hajutamiseks kasutatav ultraheli intensiivsus on palju suurem kui tüüpilise ultraheli puhastamise puhul. Kui tegemist on ultraheli seadme niisutatud osade puhastamisega, saab ultraheli võimsust kasutada loputamise ja loputamise ajal puhastamise abistamiseks, kuna ultraheli / akustiline kavitatsioon eemaldab osakesed ja vedelad jäägid sonotrode'ist ja voolu rakuseintest.

---

---

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.