پراکنش و کلوخه‌زدایی فراصوتی

پراکنش و کلوخه‌زدایی جامدات در مایعات یکی از کاربردهای مهم فراصوت پرتوان و سونیکاتورهای پروبی است. کاویتاسیون فراصوتی برش فوق‌العاده شدیدی ایجاد می‌کند که کلوخه‌های ذرات را به ذرات منفرد پراکنده تبدیل می‌کند. فراصوت‌دهی، به‌دلیل نیروهای برشی شدید و متمرکز موضعی، برای تولید دیسپرسیون‌هایی با ذرات در ابعاد میکرونی و نانومتری برای آزمایش، تحقیق و توسعه و البته تولید صنعتی ایدئال است.

اختلاط پودرها با مایعات مرحله‌ای رایج در فرمولاسیون محصولات گوناگون، مانند رنگ، جوهر، محصولات آرایشی، نوشیدنی‌ها، هیدروژل‌ها یا مواد پرداخت‌کاری است. ذرات منفرد به‌وسیلهٔ نیروهای جاذبه با ماهیت‌های فیزیکی و شیمیایی گوناگون، از جمله نیروهای واندروالس و کشش سطحی مایع، کنار هم نگه داشته می‌شوند. این اثر در مایعات با گرانروی بالاتر، مانند پلیمرها یا رزین‌ها، قوی‌تر است. برای کلوخه‌زدایی و پراکندن ذرات در محیط‌های مایع باید بر نیروهای جاذبه غلبه کرد. در ادامه بخوانید که چرا هموژنایزرهای فراصوتی تجهیزات برتر پراکنش ذرات زیرمیکرونی و نانومتری در آزمایشگاه و صنعت هستند.

پراکنش فراصوتی جامدات در مایعات

اصل عملکرد هموژنایزرهای فراصوتی بر پدیدهٔ کاویتاسیون آکوستیکی استوار است. کاویتاسیون آکوستیکی به ایجاد نیروهای فیزیکی شدید، از جمله نیروهای برشی بسیار قوی، شناخته می‌شود. اعمال تنش مکانیکی کلوخه‌های ذرات را از هم می‌شکند. همچنین، مایع با فشار به میان ذرات رانده می‌شود.
برای پراکنش پودرها در مایعات، فناوری‌های گوناگونی مانند هموژنایزرهای فشار بالا، آسیاب‌های مهره‌ای همزن‌دار، آسیاب‌های جت برخوردی و مخلوط‌کن‌های روتور–استاتور به‌صورت تجاری در دسترس هستند. بااین‌حال، پراکنده‌سازهای فراصوتی مزایای چشمگیری دارند. در ادامه با نحوهٔ عملکرد پراکنش فراصوتی و مزایای آن آشنا شوید.

اصل عملکرد کاویتاسیون و پراکنش فراصوتی

در طول فراصوت‌دهی، امواج صوتی با فرکانس بالا نواحی متناوب تراکم و انبساط در محیط مایع ایجاد می‌کنند. امواج صوتی هنگام عبور از محیط، حباب‌هایی ایجاد می‌کنند که به‌سرعت منبسط می‌شوند و سپس به‌شدت فرومی‌پاشند. این فرایند کاویتاسیون آکوستیکی نام دارد. فروپاشی حباب‌ها امواج ضربه‌ای پرفشار، ریزجت‌ها و نیروهای برشی ایجاد می‌کند که می‌توانند ذرات بزرگ‌تر و کلوخه‌ها را به ذرات کوچک‌تر بشکنند. در فرایندهای پراکنش فراصوتی، خود ذرات موجود در دیسپرسیون نقش محیط آسیاب‌کننده را ایفا می‌کنند. ذرات بر اثر نیروهای برشی کاویتاسیون فراصوتی شتاب می‌گیرند، با یکدیگر برخورد می‌کنند و به قطعات ریز خرد می‌شوند. ازآنجاکه هیچ مهره یا گلوله‌ای به دیسپرسیون تحت تیمار فراصوتی افزوده نمی‌شود، جداسازی و تمیزکاری زمان‌بر و پرزحمت محیط آسیاب‌کننده و همچنین آلودگی به‌طور کامل حذف می‌شوند.
به همین دلیل، فراصوت‌دهی در پراکنش و کلوخه‌زدایی ذرات، حتی ذراتی که شکستن آن‌ها با روش‌های دیگر دشوار است، بسیار مؤثر است. این امر توزیع یکنواخت‌تر ذرات و در نتیجه بهبود کیفیت و عملکرد محصول را به همراه دارد.
افزون‌براین، فراصوت‌دهی می‌تواند به‌آسانی نانوموادی مانند نانوکره‌ها، نانوبلورها، نانوورقه‌ها، نانوالیاف، نانوسیم‌ها، ذرات هسته–پوسته و دیگر ساختارهای پیچیده را پردازش، پراکنده و سنتز کند.
همچنین، فراصوت‌دهی را می‌توان در بازهٔ زمانی نسبتاً کوتاهی انجام داد که مزیت مهمی نسبت به دیگر روش‌های پراکنش است.

مزایای پراکنده‌سازهای فراصوتی نسبت به فناوری‌های جایگزین اختلاط

پراکنده‌سازهای فراصوتی نسبت به فناوری‌های جایگزین اختلاط، مانند هموژنایزرهای فشار بالا، آسیاب‌کاری مهره‌ای یا اختلاط روتور–استاتور، مزایای متعددی دارند. برخی از برجسته‌ترین مزایا عبارت‌اند از:

• کاهش مؤثرتر اندازهٔ ذرات: پراکنده‌سازهای فراصوتی می‌توانند اندازهٔ ذرات را به‌طور مؤثر تا محدودهٔ نانومتری کاهش دهند؛ کاری که با بسیاری از فناوری‌های دیگر اختلاط امکان‌پذیر نیست. این ویژگی آن‌ها را برای کاربردهایی که ریز بودن ذرات در آن‌ها اهمیت حیاتی دارد، ایدئال می‌کند.
• اختلاط سریع‌تر: پراکنده‌سازهای فراصوتی می‌توانند مواد را سریع‌تر از بسیاری از فناوری‌های دیگر مخلوط و پراکنده کنند که باعث صرفه‌جویی در زمان و افزایش بهره‌وری می‌شود.
• بدون آلودگی: پراکنده‌سازهای فراصوتی به استفاده از محیط آسیاب‌کننده، مانند مهره‌ها یا گلوله‌ها، نیاز ندارند؛ این اجزا بر اثر سایش دیسپرسیون را آلوده می‌کنند.
• کیفیت بهتر محصول: پراکنده‌سازهای فراصوتی می‌توانند مخلوط‌ها و سوسپانسیون‌های یکنواخت‌تری تولید کنند و در نتیجه کیفیت و ثبات محصول را بهبود دهند. به‌ویژه در حالت جریان عبوری، دوغاب دیسپرسیون به‌شکلی کاملاً کنترل‌شده از ناحیهٔ کاویتاسیون فراصوتی عبور می‌کند و تیمار بسیار یکنواختی را تضمین می‌کند.
• مصرف انرژی کمتر: پراکنده‌سازهای فراصوتی معمولاً نسبت به فناوری‌های دیگر به انرژی کمتری نیاز دارند که هزینه‌های بهره‌برداری را کاهش می‌دهد.
• کاربردپذیری گسترده: پراکنده‌سازهای فراصوتی را می‌توان در طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله همگن‌سازی، امولسیون‌سازی، پراکنش و کلوخه‌زدایی، به کار برد. این دستگاه‌ها همچنین می‌توانند انواع مواد، از جمله مواد ساینده، الیاف، مایعات خورنده و حتی گازها را پردازش کنند.

به‌دلیل این مزایای فرایندی و نیز قابلیت اطمینان و کاربری ساده، پراکنده‌سازهای فراصوتی از فناوری‌های جایگزین اختلاط پیشی می‌گیرند و به گزینه‌ای پرطرفدار برای بسیاری از کاربردهای صنعتی تبدیل شده‌اند.

پراکنش فراصوتی سیلیس دودزا در آب: پیش از فراصوت‌دهی، اندازهٔ ذرات کلوخه‌شدهٔ سیلیس بیش از 200 میکرون (D50) است. پس از پراکنش فراصوتی سیلیس دودزا، اندازهٔ بیشتر ذرات به کمتر از 200 نانومتر کاهش یافت.

پراکنش و کلوخه‌زدایی فراصوتی در هر مقیاس

Hielscher دستگاه‌های فراصوتی را برای پراکنش و کلوخه‌زدایی هر حجمی در پردازش ناپیوسته یا درون‌خطی عرضه می‌کند. دستگاه‌های فراصوتی آزمایشگاهی برای حجم‌های 1٫5mL تا حدود 2L به کار می‌روند. دستگاه‌های فراصوتی صنعتی در توسعهٔ فرایند و تولید، برای بچ‌هایی از 0٫5 تا حدود 2000L یا دبی‌هایی از 0٫1L تا 20m³ در ساعت استفاده می‌شوند.

پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند دامنه‌های بسیار بالایی ایجاد کنند و از این طریق ذرات را به‌طور قابل‌اعتماد تا مقیاس نانو پراکنده و آسیاب کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌های تا 200µm در بهره‌برداری 24/7 به‌آسانی امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های بالاتر نیز سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند.

مزایای پراکنش فراصوتی: افزایش آسان مقیاس

برخلاف دیگر فناوری‌های پراکنش، مقیاس فراصوت‌دهی را می‌توان به‌آسانی از آزمایشگاه به تولید افزایش داد. آزمون‌های آزمایشگاهی امکان انتخاب دقیق اندازهٔ تجهیزات موردنیاز را فراهم می‌کنند. در مقیاس نهایی، نتایج فرایند با نتایج آزمایشگاهی یکسان هستند.

سونیکاتورها: مستحکم و با تمیزکاری آسان

توان فراصوتی از طریق یک سونوتْرود به مایع منتقل می‌شود. این قطعه معمولاً تقارن دورانی دارد و با ماشین‌کاری از تیتانیوم یکپارچه با کیفیت مورد استفاده در صنایع هواپیماسازی ساخته می‌شود. همچنین، این تنها قطعهٔ متحرک / مرتعش در تماس با مایع است. این قطعه تنها بخشی است که دچار سایش می‌شود و می‌توان آن را به‌آسانی ظرف چند دقیقه تعویض کرد. فلنج‌های جداساز ارتعاش امکان نصب سونوتْرود را در هر جهتی در مخازن باز یا بستهٔ قابل‌فشارگذاری یا در سلول‌های جریان فراهم می‌کنند. هیچ یاتاقانی لازم نیست. تمام قطعات دیگرِ در تماس با مایع عموماً از فولاد زنگ‌نزن ساخته می‌شوند. راکتورهای سلول جریان هندسهٔ ساده‌ای دارند و به‌آسانی می‌توان آن‌ها را باز و تمیز کرد؛ برای مثال، با شست‌وشو به کمک جریان مایع و پاک‌کردن سطوح داخلی. هیچ روزنهٔ کوچک یا گوشهٔ پنهانی وجود ندارد.

تمیزکاری درجا با فراصوت

فراصوت به‌خوبی برای کاربردهای تمیزکاری، مانند تمیزکاری سطوح و قطعات، شناخته شده است. شدت فراصوت مورد استفاده در کاربردهای پراکنش بسیار بیشتر از شدت به‌کاررفته در تمیزکاری معمول فراصوتی است. برای تمیزکردن قطعات دستگاه فراصوتی که با مایع در تماس هستند، می‌توان از توان فراصوتی برای کمک به تمیزکاری هنگام شست‌وشو با جریان مایع و آبکشی استفاده کرد، زیرا کاویتاسیون فراصوتی / آکوستیکی ذرات و باقی‌مانده‌های مایع را از سونوتْرود و دیواره‌های سلول جریان جدا می‌کند.

منابع علمی / مراجع

• 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.