פיזור ופירוק של מוצקים לנוזלים הוא יישום חשוב של אולטרסאונד כוח וסוניקטורים מסוג בדיקה. קוויטציה על-קולית יוצרת גזירה גבוהה במיוחד ששוברת את האגלומרטים של החלקיקים לחלקיקים מפוזרים בודדים. בשל כוחות הגזירה הגבוהים הממוקדים באופן מקומי, סוניקציה אידיאלית לייצור פיזורים בגודל מירקון וננו לניסויים, מחקר ופיתוח, וכמובן לייצור תעשייתי.

ערבוב אבקות לנוזלים הוא שלב נפוץ בניסוח מוצרים שונים, כגון צבע, דיו, קוסמטיקה, משקאות, הידרוג'לים או מדיות ליטוש. החלקיקים הבודדים מוחזקים יחד על ידי כוחות משיכה בעלי אופי פיזיקלי וכימי שונים, כולל כוחות ואן דר ואלס ומתח פני שטח נוזלי. השפעה זו חזקה יותר עבור נוזלים בעלי צמיגות גבוהה יותר, כגון פולימרים או שרפים. יש להתגבר על כוחות המשיכה על מנת לנטרל ולפזר את החלקיקים למדיה נוזלית. קרא להלן מדוע הומוגנייזרים על-קוליים הם ציוד הפיזור המעולה לפיזור חלקיקים תת-מיקרוניים וננו-גדולים במעבדה ובתעשייה.

פיזור אולטראסוני של מוצקים לנוזלים

עקרון העבודה של הומוגנייזרים קוליים מבוסס על תופעת הקוויטציה האקוסטית. ידוע כי קוויטציה אקוסטית יוצרת כוחות פיזיקליים אינטנסיביים, כולל כוחות גזירה חזקים מאוד. היישום של מתח מכני שובר את החלקיקים agglomerates לגזרים. כמו כן, נוזל נלחץ בין החלקיקים.
בעוד לפיזור אבקות לנוזלים, טכנולוגיות שונות כגון הומוגנייזרים בלחץ גבוה, טחנות חרוזים מתסיסות, טחנות סילון מזיקות ורוטור-סטטור-מיקסר זמינות מסחרית. עם זאת מפזרים קוליים יש יתרונות משמעותיים. קרא להלן כיצד פועל פיזור קולי ומה היתרונות של פיזור קולי.

 

 

עקרון העבודה של קוויטציה קולית ופיזור

במהלך סוניקציה, גלי קול בתדר גבוה יוצרים אזורים מתחלפים של דחיסה ונדירות בתווך הנוזלי. כאשר גלי הקול עוברים דרך התווך, הם יוצרים בועות שמתרחבות במהירות ואז קורסות באלימות. תהליך זה נקרא קוויטציה אקוסטית. קריסת הבועות יוצרת גלי הלם בלחץ גבוה, מיקרו-סילונים וכוחות גזירה שיכולים לפרק חלקיקים גדולים יותר ואגרגלומרטים לחלקיקים קטנים יותר. בתהליכי פיזור על-קולי, החלקיקים עצמם בפיזור מתפקדים כמדיום כרסום. מואצים על ידי כוחות הגזירה של קוויטציה קולית, החלקיקים מתנגשים זה בזה ומתנפצים לרסיסים זעירים. מכיוון שלא מוסיפים חרוזים או פנינים לפיזור המטופל, ההפרדה והניקוי הגוזלים זמן רב ואינטנסיביים של אמצעי הטחינה, כמו גם הזיהום, נמנעים לחלוטין.
זה הופך את הסוניקציה ליעילה כל כך בפיזור ופירוק חלקיקים, אפילו כאלה שקשה לפרק בשיטות אחרות. התוצאה היא פיזור אחיד יותר של חלקיקים, מה שמוביל לשיפור באיכות המוצר ובביצועיו.
בנוסף, סוניקציה יכולה לטפל, לפזר ולסנתז בקלות ננו-חומרים כגון ננו-כדורים, ננו-גבישים, ננו-יריעות, ננו-סיבים, ננו-חוטים, חלקיקי מעטפת ליבה ומבנים מורכבים אחרים.
יתר על כן, סוניקציה יכולה להתבצע במסגרת זמן קצרה יחסית, המהווה יתרון גדול על פני טכניקות פיזור אחרות.

היתרונות של מפזרים קוליים על פני טכנולוגיות ערבוב חלופיות

מפזרים אולטראסוניים מציעים מספר יתרונות על פני טכנולוגיות ערבוב חלופיות כגון הומוגנייזרים בלחץ גבוה, כרסום חרוזים או ערבוב רוטור-סטטור. כמה מהיתרונות הבולטים ביותר כוללים:

• הקטנת גודל חלקיקים משופרת: מפזרים קוליים יכולים להפחית ביעילות את גודל החלקיקים לטווח הננומטר, דבר שאינו אפשרי בטכנולוגיות ערבוב רבות אחרות. זה הופך אותם לאידיאליים עבור יישומים שבהם גודל חלקיקים עדינים הוא קריטי.
• ערבוב מהיר יותר: מפזרים קוליים יכולים לערבב ולפזר חומרים מהר יותר מטכנולוגיות רבות אחרות, מה שחוסך זמן ומגדיל את הפרודוקטיביות.
• ללא זיהום: מפזרים קוליים אינם דורשים שימוש של מדיה כרסום auch כמו חרוזים או פנינים, אשר מזהמים את הפיזור על ידי שחיקה.
• איכות מוצר טובה יותר: מפזרים קוליים יכולים לייצר תערובות ומתלים אחידים יותר, וכתוצאה מכך איכות מוצר ועקביות טובות יותר. במיוחד במצב זרימה דרך, slurry פיזור עובר את אזור cavitation קולי באופן מבוקר מאוד להבטיח טיפול אחיד מאוד.
• צריכת אנרגיה נמוכה יותר: מפזרים קוליים בדרך כלל דורשים פחות אנרגיה מאשר טכנולוגיות אחרות, מה שמפחית את עלויות התפעול.
• צדדיות: מפזרים אולטראסוניים יכולים לשמש למגוון רחב של יישומים, כולל הומוגניזציה, אמולסיפיקציה, פיזור ודה-אגרציה. הם יכולים גם לטפל במגוון חומרים, כולל חומרים שוחקים, סיבים, נוזלים קורוזיביים ואפילו גזים.

בשל יתרונות תהליכים אלה, כמו גם אמינות ותפעול פשוט, מפזרים קוליים עולים על טכנולוגיות ערבוב חלופיות, מה שהופך אותם לבחירה פופולרית עבור יישומים תעשייתיים רבים.

פיזור אולטראסוני ו deagglomeration בכל קנה מידה

Hielscher מציעה מכשירים קוליים עבור פיזור deagglomeration של כל נפח עבור אצווה או עיבוד בתוך השורה. מכשירי מעבדה אולטראסוניים משמשים לנפחים מ-1.5 מ"ל לכ-2 ליטר. התקנים קוליים תעשייתיים משמשים בתהליך פיתוח וייצור עבור אצוות מ 0.5 עד כ 2000L או קצבי זרימה מ 0.1L ל 20m³ לשעה.

Hielscher אולטרסוניקה מעבדים אולטראסוניים תעשייתיים יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד ובכך פיזור אמין וכרסום חלקיקים בקנה מידה ננומטרי. אמפליטודות של עד 200μm ניתן להפעיל בקלות ברציפות בפעולה 24/7. עבור משרעת גבוהה עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים.

הטבלה להלן נותן לך אינדיקציה של יכולת עיבוד משוער של ultrasonicators שלנו:

היתרונות של פיזור קולי: קל להגדיל

בשונה מטכנולוגיות פיזור אחרות, ניתן להגדיל את האולטרה-סאונד בקלות מהמעבדה לגודל הייצור. בדיקות מעבדה יאפשרו לבחור את גודל הציוד הנדרש במדויק. כאשר נעשה שימוש בקנה מידה סופי, תוצאות התהליך זהות לתוצאות המעבדה.

אולטראסוניקאטורים: חזקים וקלים לניקוי

כוח קולי מועבר לתוך הנוזל באמצעות סונוטרודה. זהו חלק סימטרי סיבובי בדרך כלל, המיוצר מטיטניום באיכות מטוסים מוצקה. זהו גם החלק הרטוב הנע / רוטט היחיד. זהו החלק היחיד, כי הוא נתון ללבוש וזה יכול להיות מוחלף בקלות בתוך דקות. אוגנים מפרידי תנודות מאפשרים להרכיב את הסונוטרוד לתוך מכולות פתוחות או סגורות הניתנות ללחיצה או לתאי זרימה בכל כיוון שהוא. אין צורך במיסבים. כל שאר החלקים הרטובים עשויים בדרך כלל מפלדת אל-חלד. לכורי תאי זרימה יש גיאומטריות פשוטות וניתן לפרק ולנקות אותם בקלות, למשל על ידי שטיפה וניגוב. אין פתחים קטנים או פינות נסתרות.

שואב Ultrasonic פלייס

אולטראסאונד ידועה ביישומי הניקוי שלה, כגון משטח, ניקוי חלקים. עוצמת קולי המשמש לפיזור יישומים הוא הרבה יותר גבוה מאשר עבור ניקוי קולי טיפוסי. כשמדובר בניקוי החלקים הרטובים של המכשיר העל-קולי, ניתן להשתמש בכוח העל-קולי כדי לסייע בניקוי במהלך השטיפה והשטיפה, שכן הקוויטציה העל-קולית / אקוסטית מסירה חלקיקים ושאריות נוזליות מהסונוטרודה ומקירות תא הזרימה.

---

---

ספרות/הפניות

• 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.