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 nesteisiin on yleinen vaihe erilaisten tuotteiden, kuten maalin, musteen, kosmetiikan, juomien, hydrogeelien tai kiillotusaineiden, formuloinnissa. Yksittäisiä hiukkasia pitävät yhdessä erilaiset fysikaaliset ja kemialliset vetovoimat, mukaan lukien van der Waalsin voimat ja nestemäinen pintajännitys. Tämä vaikutus on voimakkaampi korkeamman viskositeetin nesteille, kuten polymeereille tai hartseille. Vetovoimavoimat on voitettava deagglomeroituakseen ja hajottaakseen hiukkaset nestemäisiin väliaineisiin. Lue alla, miksi ultraäänihomogenisaattorit ovat ylivoimaisia dispergointilaitteita submikroni- ja nanokokoisten hiukkasten dispersioon laboratoriossa ja teollisuudessa.

Kiinteiden aineiden ultraäänidispersio nesteisiin

Ultraäänihomogenisaattoreiden toimintaperiaate perustuu akustisen kavitaatioilmiöön. Akustisen kavitaatioon tiedetään aiheuttavan voimakkaita fyysisiä voimia, mukaan lukien erittäin voimakkaat leikkausvoimat. Mekaanisen rasituksen käyttö hajottaa hiukkasagglomeraatit toisistaan. Myös neste puristetaan hiukkasten väliin.
Jauheiden hajottamiseksi nesteiksi on kaupallisesti saatavilla erilaisia tekniikoita, kuten korkeapainehomogenisaattorit, sekoittimen helmimyllyt, impinging-suihkumyllyt ja roottori-staattori-sekoitin. Ultraäänidispersoreilla on kuitenkin merkittäviä etuja. Lue alla, miten ultraäänidispersio toimii ja mitkä ovat ultraäänidispersion edut.

 

 

Ultraäänikavitoinnin ja dispersion toimintaperiaate

Sonikoinnin aikana korkeataajuiset ääniaallot luovat vuorotellen 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 iskuaaltoja, mikrosuihkuja ja leikkausvoimia, jotka voivat hajottaa suurempia hiukkasia ja agglomeraatteja pienemmiksi hiukkasiksi. Ultraäänidispersioprosesseissa itse dispersiossa olevat hiukkaset toimivat jyrsintäaineena. Ultraäänikavitaatiovoimien kiihdyttämänä hiukkaset törmäävät toisiinsa ja hajoavat pieniksi fragmenteiksi. Koska ultraäänellä käsiteltyyn dispersioon ei lisätä helmiä tai helmiä, jyrsintäaineiden aikaa vievää ja työvoimavaltaista erottamista ja puhdistamista sekä saastumista vältetään kokonaan.
Tämä tekee sonikaatiosta niin tehokkaan dispergointi- ja deagglomeroinnissa hiukkasia, jopa niitä, joita on vaikea hajottaa muilla menetelmillä. Tämä johtaa hiukkasten tasaisempaan jakautumiseen, mikä parantaa tuotteiden laatua ja suorituskykyä.
Lisäksi sonikaatio voi helposti käsitellä, hajottaa ja syntetisoida nanomateriaaleja, kuten nanopalloja, nanokiteitä, nanosheettejä, nanokuituja, nanolankoja, ydinkuoren hiukkasia ja muita monimutkaisia rakenteita.
Lisäksi sonikaatio voidaan suorittaa suhteellisen lyhyessä ajassa, mikä on suuri etu muihin dispersiotekniikoihin verrattuna.

Ultraäänidispersorien edut vaihtoehtoisiin sekoitustekniikoihin verrattuna

Ultraäänidispersorit tarjoavat useita etuja verrattuna vaihtoehtoisiin sekoitustekniikoihin, kuten korkeapainehomogenisaattoreihin, helmijyrsintään tai roottori-staattorin sekoittamiseen. Joitakin merkittävimpiä etuja ovat:

• Parannettu hiukkaskoon pienentäminen: Ultraäänidispersorit voivat tehokkaasti pienentää hiukkaskokoja nanometrin alueelle, mikä ei ole mahdollista monilla muilla sekoitustekniikoilla. Tämä tekee niistä ihanteellisia sovelluksiin, joissa pienhiukkaskoko on kriittinen.
• Nopeampi sekoitus: Ultraäänidispersorit voivat sekoittaa ja hajottaa materiaaleja nopeammin kuin monet muut tekniikat, mikä säästää aikaa ja lisää tuottavuutta.
• Ei saastumista: Ultraäänidispersorit eivät vaadi jyrsintäaineiden käyttöä helminä tai helminä, jotka saastuttavat dispersion hankaamalla.
• Parempi tuotteen laatu: Ultraäänidispersorit voivat tuottaa tasaisempia seoksia ja suspensioita, mikä johtaa parempaan tuotteen laatuun ja johdonmukaisuuteen. Erityisesti läpivirtaustilassa dispersioliete kulkee ultraäänikavitaatiovyöhykkeen läpi erittäin kontrolloidulla tavalla, mikä varmistaa erittäin yhtenäisen käsittelyn.
• Pienempi energiankulutus: Ultraäänidispersorit vaativat tyypillisesti vähemmän energiaa kuin muut tekniikat, mikä vähentää käyttökustannuksia.
• Monipuolisuus: Ultraäänidispersoreita 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 ultraäänidispersorit 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 deagglomerointiin 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 virtausnopeuksilla 0,1L - 20m³ tunnissa.

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

Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Ultraäänidispersion edut: Helppo skaalata ylöspäin

Toisin kuin muut dispergointitekniikat, ultrasonication voidaan skaalata helposti laboratoriosta tuotantokokoon. Laboratoriotestien avulla voidaan valita tarvittava laitekoko tarkasti. Kun sitä käytetään lopullisessa mittakaavassa, prosessin tulokset ovat identtiset laboratoriotulosten kanssa.

Ultraäänilaitteet: vankka ja helppo puhdistaa

Ultraääniteho välitetään nesteeseen sonotrodin kautta. Tämä on tyypillisesti pyörivä symmetrinen osa, joka on työstetty kiinteästä lentokonelaatuisesta titaanista. Tämä on myös ainoa liikkuva / värähtelevä kostutettu osa. Se on ainoa osa, joka on alttiina kulumiselle ja se voidaan helposti vaihtaa muutamassa minuutissa. Värähtelyä irrottavat laipat mahdollistavat sonotrodin asentamisen avoimiin tai suljettuihin paineistettaviin astioihin tai virtauskennoihin missä tahansa suunnassa. Laakereita ei tarvita. Kaikki muut kostutetut osat on yleensä valmistettu ruostumattomasta teräksestä. Virtauskennoreaktoreilla on yksinkertaiset geometriat, ja ne voidaan helposti purkaa ja puhdistaa esimerkiksi huuhtelemalla ja pyyhkimällä pois. Ei ole pieniä aukkoja tai piilotettuja kulmia.

Ultrasonic Cleaner paikallaan

Ultraääni on tunnettu puhdistussovelluksistaan, kuten pinnasta, osien puhdistuksesta. Dispergointisovelluksiin käytetty ultraääniintensiteetti on paljon suurempi kuin tyypillisessä ultraäänipuhdistuksessa. Kun kyse on ultraäänilaitteen kostutettujen osien puhdistamisesta, ultraäänitehoa voidaan käyttää puhdistuksen helpottamiseen huuhtelun ja huuhtelun aikana, koska ultraääni / akustinen kavitaatio poistaa hiukkaset ja nestemäiset jäännökset sonotrodista ja virtaussoluseinistä.

---

---

Kirjallisuus / Referenssit

• 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.