Ultraäänidispergointi ja deagglomeraatio

Kiinteiden aineiden dispergointi ja deagglomerointi nesteiksi on tärkeä tehon ultraäänen ja koetintyyppisten sonikaattoreiden sovellus. Ultraäänikavitaatio tuottaa poikkeuksellisen korkean leikkauksen, joka hajottaa hiukkasten agglomeraatit yksittäisiksi dispergoituneiksi hiukkasiksi. Paikallisesti keskittyneiden suurten leikkausvoimiensa ansiosta sonikaatio on ihanteellinen mircon- ja nanokokoisten dispersioiden tuottamiseksi kokeiluun, tutkimukseen ja kehitykseen sekä tietysti teolliseen tuotantoon.

Jauheiden sekoittaminen nesteiksi on yleinen vaihe erilaisten tuotteiden, kuten maalin, musteen, kosmetiikan, juomien, hydrogeelien tai kiillotusaineiden, muotoilussa. Yksittäisiä hiukkasia pitävät yhdessä erilaiset fysikaaliset ja kemialliset vetovoimat, mukaan lukien van der Waalsin voimat ja nesteen pintajännitys. Tämä vaikutus on voimakkaampi korkeamman viskositeetin nesteille, kuten polymeereille tai hartseille. Vetovoimat on voitettava hiukkasten deagglomeroitumiseksi ja hajottamiseksi nestemäisiin väliaineisiin. Lue alla, miksi ultraäänihomogenisaattorit ovat ylivoimaisia dispergointilaitteita submikroni- ja nanokokoisten hiukkasten leviämiseen laboratoriossa ja teollisuudessa.

Kiinteiden aineiden ultraäänidispergointi nesteiksi

Ultraäänihomogenisaattoreiden toimintaperiaate perustuu akustisen kavitaation ilmiöön. Akustisen kavitaation tiedetään luovan voimakkaita fyysisiä voimia, mukaan lukien erittäin voimakkaat leikkausvoimat. Mekaanisen rasituksen käyttö hajottaa hiukkasten agglomeraatit toisistaan. Myös nestettä puristetaan hiukkasten väliin.
Jauheiden dispergointiin nesteiksi on kaupallisesti saatavilla erilaisia tekniikoita, kuten korkeapainehomogenisaattoreita, sekoittimen helmimyllyjä, iskusuihkumyllyjä ja roottori-staattori-sekoitinta. Ultraäänidispergointiaineilla on kuitenkin merkittäviä etuja. Lue alla, miten ultraäänidispersio toimii ja mitkä ovat ultraäänidispergoinnin edut.

 

 

Ultraäänikavitaation ja dispersion toimintaperiaate

Sonikoinnin aikana korkeataajuiset ääniaallot luovat vuorottelevia puristus- ja harvinaisuusalueita nestemäisessä väliaineessa. Kun ääniaallot kulkevat väliaineen läpi, ne luovat kuplia, jotka laajenevat nopeasti ja romahtavat sitten väkivaltaisesti. Tätä prosessia kutsutaan akustiseksi kavitaatioksi. Kuplien romahtaminen tuottaa korkeapaineisia shokkiaaltoja, mikrosuihkuja ja leikkausvoimia, jotka voivat hajottaa suuremmat hiukkaset ja agglomeraatit pienemmiksi hiukkasiksi. Ultraäänidispersioprosesseissa itse dispersiossa olevat hiukkaset toimivat jyrsintäväliaineena. Ultraäänikavitaation leikkausvoimien kiihdyttämänä hiukkaset törmäävät toisiinsa ja hajoavat pieniksi palasiksi. Koska ultraäänellä käsiteltyyn dispersioon ei lisätä helmiä tai helmiä, jyrsintäaineiden aikaa vievä ja työvoimavaltainen erottelu ja puhdistus sekä saastuminen vältetään kokonaan.
Tämä tekee sonikaatiosta niin tehokkaan hiukkasten hajottamisessa ja deagglomeroinnissa, jopa niissä, joita on vaikea hajottaa muilla menetelmillä. Tämä johtaa hiukkasten tasaisempaan jakautumiseen, mikä parantaa tuotteen laatua ja suorituskykyä.
Lisäksi sonikaatio voi helposti käsitellä, hajottaa ja syntetisoida nanomateriaaleja, kuten nanopalloja, nanokiteitä, nanoarkkeja, nanokuituja, nanolankoja, ydinkuorihiukkasia ja muita monimutkaisia rakenteita.
Lisäksi sonikaatio voidaan suorittaa suhteellisen lyhyessä ajassa, mikä on merkittävä etu muihin dispersiotekniikoihin verrattuna.

Ultraäänidispergointilaitteiden edut vaihtoehtoisiin sekoitustekniikoihin verrattuna

Ultraäänidispergointilaitteet tarjoavat useita etuja verrattuna vaihtoehtoisiin sekoitustekniikoihin, kuten korkeapainehomogenisaattoreihin, helmijyrsintään tai roottori-staattorisekoitukseen. Joitakin merkittävimpiä etuja ovat:

• Parannettu hiukkaskoon pienentäminen: Ultraäänidispergointilaitteet voivat tehokkaasti pienentää hiukkaskokoja nanometrialueelle, mikä ei ole mahdollista monilla muilla sekoitustekniikoilla. Tämä tekee niistä ihanteellisia sovelluksiin, joissa hienojakoinen hiukkaskoko on kriittinen.
• Nopeampi sekoitus: Ultraäänidispergointilaitteet voivat sekoittaa ja hajottaa materiaaleja nopeammin kuin monet muut tekniikat, mikä säästää aikaa ja lisää tuottavuutta.
• Ei saastumista: Ultraäänidispergointilaitteet eivät vaadi jyrsintäaineen käyttöä helminä tai helminä, jotka saastuttavat dispersion hankauksella.
• Parempi tuotteiden laatu: Ultraäänidispergointiaineet voivat tuottaa yhtenäisempiä seoksia ja suspensioita, mikä parantaa tuotteen laatua ja johdonmukaisuutta. Erityisesti läpivirtaustilassa dispersioliete kulkee ultraäänikavitaatiovyöhykkeen erittäin hallitulla tavalla, mikä takaa hyvin tasaisen käsittelyn.
• Pienempi energiankulutus: Ultraäänidispergointilaitteet vaativat tyypillisesti vähemmän energiaa kuin muut tekniikat, mikä vähentää käyttökustannuksia.
• Monipuolisuus: Ultraäänidispergointiaineita voidaan käyttää monenlaisiin sovelluksiin, mukaan lukien homogenointi, emulgointi, dispersio ja deagglomeraatio. Ne voivat myös käsitellä erilaisia materiaaleja, kuten hankaavia materiaaleja, kuituja, syövyttäviä nesteitä ja jopa kaasuja.

Näiden prosessietujen sekä luotettavuuden ja yksinkertaisen käytön ansiosta ultraäänidispergointilaitteet kilpailevat vaihtoehtoisista sekoitustekniikoista, mikä tekee niistä suositun valinnan moniin teollisiin sovelluksiin.

Ultraäänidispergointi ja deagglomeraatio missä tahansa mittakaavassa

Hielscher tarjoaa ultraäänilaitteita minkä tahansa tilavuuden dispergointiin ja deagglomeraatioon erä- tai inline-käsittelyä varten. Ultraäänilaboratoriolaitteita käytetään tilavuuksiin 1,5 ml: sta noin 2 litraan. Teollisuuden ultraäänilaitteita käytetään prosessin kehittämisessä ja tuotannossa erissä 0,5 - noin 2000L tai virtausnopeudet 0,1L - 20m³ tunnissa.

Hielscher Ultrasonics teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudit, mikä hajottaa ja jyrsii hiukkasia luotettavasti nanomittakaavaan. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Ultraäänidispersion edut: helppo skaalata

Toisin kuin muut dispergointitekniikat, ultrasonication voidaan skaalata helposti laboratoriosta tuotantokokoon. Laboratoriotestien avulla voidaan valita tarvittava laitekoko tarkasti. Lopullisessa mittakaavassa käytettynä prosessin tulokset ovat identtisiä laboratoriotulosten kanssa.

Ultraäänilaitteet: kestävät ja helppo puhdistaa

Ultraääniteho siirretään nesteeseen sonotrodin kautta. Tämä on tyypillisesti pyörivä symmetrinen osa, joka on työstetty kiinteästä lentokoneen laatuisesta titaanista. Tämä on myös ainoa liikkuva / värähtelevä kostutettu osa. Se on ainoa osa, joka kuluu ja se voidaan helposti vaihtaa muutamassa minuutissa. Värähtely-irrotuslaipat mahdollistavat sonotrodin asentamisen avoimiin tai suljettuihin paineisettaviin astioihin tai virtaussoluihin missä tahansa suunnassa. Laakereita ei tarvita. Kaikki muut kostuneet osat on yleensä valmistettu ruostumattomasta teräksestä. Virtauskennoreaktoreilla on yksinkertainen geometria, ja ne voidaan helposti purkaa ja puhdistaa esimerkiksi huuhtelemalla ja pyyhkimällä. Pieniä aukkoja tai piilotettuja kulmia ei ole.

Ultraäänipuhdistin paikallaan

Ultraääni on tunnettu puhdistussovelluksistaan, kuten pinnan, osien puhdistuksesta. Sovellusten dispergointiin käytetty ultraääniintensiteetti on paljon suurempi kuin tyypillisessä ultraäänipuhdistuksessa. Ultraäänilaitteen kostutettujen osien puhdistuksessa ultraäänitehoa voidaan käyttää puhdistuksen avustamiseen huuhtelun ja huuhtelun aikana, koska ultraääni / akustinen kavitaatio poistaa hiukkaset ja nestemäiset jäännökset sonotrodista ja virtaussoluseinistä.

---

---

Kirjallisuus / Viitteet

• 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.