Dispergointi ja agglomeraattien hajotus ultraäänellä

Kiintoaineiden dispergointi nesteisiin ja agglomeraattien hajotus ovat tärkeitä teho-ultraäänen ja anturityyppisten ultraäänilaitteiden käyttökohteita. Ultraäänikavitaatio synnyttää poikkeuksellisen voimakasta leikkausta, joka hajottaa hiukkasagglomeraatit yksittäisiksi dispergoituneiksi hiukkasiksi. Paikallisesti keskittyvien suurten leikkausvoimien ansiosta ultraäänikäsittely soveltuu ihanteellisesti mikrometri- ja nanokokoisten dispersioiden tuottamiseen kokeita, tutkimusta ja kehitystä sekä luonnollisesti teollista tuotantoa varten.

Jauheiden sekoittaminen nesteisiin on tavallinen vaihe erilaisten tuotteiden, kuten maalien, musteiden, kosmetiikan, juomien, hydrogeelien tai kiillotusaineiden, formuloinnissa. Yksittäisiä hiukkasia pitävät yhdessä erilaiset fysikaaliset ja kemialliset vetovoimat, kuten van der Waalsin voimat ja nesteen pintajännitys. Tämä vaikutus on voimakkaampi nesteissä, joiden viskositeetti on suurempi, kuten polymeereissä tai hartseissa. Vetovoimat on voitettava, jotta agglomeraatit voidaan hajottaa ja hiukkaset dispergoida nestemäiseen väliaineeseen. Lue alta, miksi ultraäänihomogenisaattorit ovat ylivertaisia dispergointilaitteita alle mikrometrin kokoisten ja nanokokoisten hiukkasten dispergointiin laboratoriossa ja teollisuudessa.

Kiintoaineiden dispergointi nesteisiin ultraäänellä

Ultraäänihomogenisaattorien toimintaperiaate perustuu akustiseen kavitaatioon. Akustisen kavitaation tiedetään synnyttävän voimakkaita fysikaalisia voimia, mukaan lukien erittäin suuret leikkausvoimat. Mekaaninen rasitus hajottaa hiukkasagglomeraatit. Lisäksi nestettä puristuu hiukkasten väliin.
Jauheiden dispergointiin nesteisiin on kaupallisesti saatavilla erilaisia teknologioita, kuten korkeapainehomogenisaattoreita, sekoitinkuulamyllyjä, törmäyssuihkumyllyjä ja roottori-staattorisekoittimia. Ultraäänidispergaattoreilla on kuitenkin merkittäviä etuja. Lue alta, miten ultraäänidispergointi toimii ja mitä etuja sillä on.

 

Video esittelee punaisen väriaineen ultraäänidispergoinnin UP400St-laitteella ja S24d 22mm -sondilla.

 

Ultraäänikavitaation ja dispergoinnin toimintaperiaate

Ultraäänikäsittelyn aikana korkeataajuiset ääniaallot synnyttävät nestemäiseen väliaineeseen vuorottelevia puristus- ja harvenemisalueita. Kulkiessaan väliaineen läpi ääniaallot synnyttävät kuplia, jotka laajenevat nopeasti ja luhistuvat sitten rajusti. Tätä prosessia kutsutaan akustiseksi kavitaatioksi. Kuplien luhistuminen synnyttää korkeapaineisia iskuaaltoja, mikrosuihkuja ja leikkausvoimia, jotka voivat hajottaa suurempia hiukkasia ja agglomeraatteja pienemmiksi hiukkasiksi. Ultraäänidispergointiprosesseissa dispersion hiukkaset itse toimivat jauhatuskappaleina. Ultraäänikavitaation leikkausvoimien kiihdyttämät hiukkaset törmäävät toisiinsa ja rikkoutuvat pieniksi sirpaleiksi. Koska ultraäänikäsiteltävään dispersioon ei lisätä kuulia tai helmiä, aikaa vievä ja työläs jauhatuskappaleiden erottaminen ja puhdistaminen sekä kontaminaatio vältetään kokonaan.
Tämän ansiosta ultraäänikäsittely on erittäin tehokas hiukkasten dispergoinnissa ja agglomeraattien hajotuksessa, myös silloin, kun niitä on vaikea hajottaa muilla menetelmillä. Tuloksena on tasaisempi hiukkasjakauma, joka parantaa tuotteen laatua ja suorituskykyä.
Lisäksi ultraäänikäsittelyllä voidaan helposti käsitellä, dispergoida ja syntetisoida nanomateriaaleja, kuten nanopalloja, nanokiteitä, nanolevyjä, nanokuituja, nanolankoja, ydin-kuorihiukkasia ja muita monimutkaisia rakenteita.
Ultraäänikäsittely voidaan myös suorittaa suhteellisen lyhyessä ajassa, mikä on merkittävä etu muihin dispergointitekniikoihin verrattuna.

Ultraäänidispergaattorien edut muihin sekoitusteknologioihin verrattuna

Ultraäänidispergaattorit tarjoavat useita etuja muihin sekoitusteknologioihin, kuten korkeapainehomogenisaattoreihin, kuulajauhatukseen tai roottori-staattorisekoitukseen, verrattuna. Merkittävimpiä etuja ovat:

• Tehokkaampi hiukkaskoon pienentäminen: Ultraäänidispergaattorit voivat pienentää hiukkaskokoa tehokkaasti nanometriluokkaan, mikä ei ole mahdollista monilla muilla sekoitusteknologioilla. Tämän ansiosta ne soveltuvat ihanteellisesti käyttökohteisiin, joissa pieni hiukkaskoko on ratkaisevan tärkeä.
• Nopeampi sekoitus: Ultraäänidispergaattorit voivat sekoittaa ja dispergoida materiaaleja nopeammin kuin monet muut teknologiat, mikä säästää aikaa ja lisää tuottavuutta.
• Ei kontaminaatiota: Ultraäänidispergaattorit eivät edellytä jauhatuskappaleiden, kuten kuulien tai helmien, käyttöä, sillä ne kontaminoivat dispersiota kulumisen seurauksena.
• Parempi tuotteen laatu: Ultraäänidispergaattorit voivat tuottaa tasaisempia seoksia ja suspensioita, mikä parantaa tuotteen laatua ja tasalaatuisuutta. Erityisesti läpivirtaustilassa dispersiosuspensio kulkee ultraäänikavitaatiovyöhykkeen läpi erittäin hallitusti, mikä varmistaa hyvin tasaisen käsittelyn.
• Pienempi energiankulutus: Ultraäänidispergaattorit tarvitsevat yleensä vähemmän energiaa kuin muut teknologiat, mikä pienentää käyttökustannuksia.
• Monipuolisuus: Ultraäänidispergaattoreita voidaan käyttää monenlaisissa sovelluksissa, kuten homogenoinnissa, emulgoinnissa, dispergoinnissa ja agglomeraattien hajotuksessa. Ne voivat myös käsitellä erilaisia materiaaleja, kuten hankaavia materiaaleja, kuituja, syövyttäviä nesteitä ja jopa kaasuja.

Näiden prosessietujen sekä luotettavuuden ja helppokäyttöisyyden ansiosta ultraäänidispergaattorit päihittävät muut sekoitusteknologiat, mikä tekee niistä suositun valinnan moniin teollisiin sovelluksiin.

Dispergointi ja agglomeraattien hajotus ultraäänellä kaikissa mittakaavoissa

Hielscher tarjoaa ultraäänilaitteita minkä tahansa tilavuuden dispergointiin ja agglomeraattien hajotukseen erä- tai linjakäsittelyssä. Laboratorion ultraäänilaitteita käytetään tilavuuksille 1,5 mL:sta noin 2 L:aan. Teollisia ultraäänilaitteita käytetään prosessikehityksessä ja tuotannossa erille, joiden tilavuus on 0,5:stä noin 2 000 L:aan, tai tilavuusvirroille 0,1 L:sta 20 m³:iin tunnissa.

Hielscher Ultrasonics -yrityksen teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja ja siten dispergoida ja jauhaa hiukkasia luotettavasti nanomittakaavaan. Jopa 200 µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.

Alla oleva taulukko antaa suuntaa-antavan käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Hiilinanoputkien dispergointi ultraäänellä – Hielscher-ultraäänilaite UP400S (400W) dispergoi hiilinanoputket ja purkaa niiden takertumat nopeasti ja tehokkaasti yksittäisiksi nanoputkiksi.

Ultraäänidispergoinnin edut: Helppo skaalata suuremmaksi

Muista dispergointiteknologioista poiketen ultraäänikäsittely voidaan helposti skaalata laboratoriomittakaavasta tuotantomittakaavaan. Laboratoriokokeiden avulla voidaan valita tarvittava laitekoko tarkasti. Lopullisessa mittakaavassa käytettäessä prosessin tulokset ovat identtisiä laboratoriotulosten kanssa.

Ultraäänilaitteet: Kestäviä ja helppoja puhdistaa

Ultraääniteho siirretään nesteeseen sonotrodin kautta. Sonotrodi on tyypillisesti pyörähdyssymmetrinen osa, joka koneistetaan umpinaisesta lentokonelaatuisesta titaanista. Se on myös ainoa liikkuva / värähtelevä nesteen kanssa kosketuksissa oleva osa. Se on ainoa kuluva osa, ja se voidaan helposti vaihtaa muutamassa minuutissa. Värähtelyä eristävien laippojen avulla sonotrodi voidaan asentaa avoimiin tai suljettuihin paineistettaviin säiliöihin tai virtauskennoihin missä tahansa asennossa. Laakereita ei tarvita. Kaikki muut nesteen kanssa kosketuksissa olevat osat valmistetaan yleensä ruostumattomasta teräksestä. Virtauskennoreaktorien geometria on yksinkertainen, ja ne voidaan helposti purkaa ja puhdistaa esimerkiksi huuhtelemalla ja pyyhkimällä sisäpinnat. Niissä ei ole pieniä aukkoja tai piilossa olevia nurkkia.

Ultraäänipuhdistus paikallaan

Ultraääni tunnetaan hyvin puhdistussovelluksistaan, kuten pintojen ja osien puhdistuksesta. Dispergointisovelluksissa käytettävä ultraäänen intensiteetti on paljon suurempi kuin tavanomaisessa ultraäänipuhdistuksessa. Ultraäänilaitteen nesteen kanssa kosketuksissa olevia osia puhdistettaessa ultraäänitehoa voidaan käyttää puhdistuksen tehostamiseen huuhtelun aikana, sillä ultraäänikavitaatio eli akustinen kavitaatio poistaa hiukkasia ja nestejäämiä sonotrodista ja virtauskennon seinämistä.

---

---

Kirjallisuus / Lähteet

• 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.