פיזור ופירוק אגלומרטים באמצעות אולטרסאונד

פיזור מוצקים בתוך נוזלים ופירוק האגלומרטים שלהם הם יישום חשוב של אולטרסאונד רב־עוצמה ושל מכשירי סוניקציה מסוג גשושית. קוויטציה אולטרסונית יוצרת כוחות גזירה גבוהים במיוחד, המפרקים אגלומרטים של חלקיקים לחלקיקים בודדים ומפוזרים. בזכות כוחות הגזירה הגבוהים והממוקדים מקומית שלה, סוניקציה אידאלית ליצירת דיספרסיות של חלקיקים בגודל מיקרוני וננומטרי לצורכי ניסויים, מחקר ופיתוח, וכמובן גם לייצור תעשייתי.

ערבוב אבקות בתוך נוזלים הוא שלב נפוץ בהכנת פורמולציות של מוצרים שונים, כגון צבע, דיו, מוצרי קוסמטיקה, משקאות, הידרוג'לים או חומרי ליטוש. החלקיקים הבודדים מוחזקים יחד באמצעות כוחות משיכה בעלי אופי פיזיקלי וכימי מגוון, ובהם כוחות ואן דר ואלס ומתח הפנים של הנוזל. השפעה זו חזקה יותר בנוזלים בעלי צמיגות גבוהה יותר, כגון פולימרים או שרפים. יש להתגבר על כוחות המשיכה כדי לפרק את האגלומרטים ולפזר את החלקיקים בתווך נוזלי. קראו בהמשך מדוע הומוגנייזרים אולטרסוניים הם ציוד הפיזור העדיף לפיזור חלקיקים בגודל תת־מיקרוני וננומטרי במעבדה ובתעשייה.

פיזור אולטרסוני של מוצקים בתוך נוזלים

עקרון הפעולה של הומוגנייזרים אולטרסוניים מבוסס על תופעת הקוויטציה האקוסטית. קוויטציה אקוסטית ידועה ביכולתה ליצור כוחות פיזיקליים עזים, ובהם כוחות גזירה חזקים מאוד. הפעלת מאמץ מכני מפרקת את האגלומרטים של החלקיקים. בנוסף, נוזל נדחס בין החלקיקים.
לפיזור אבקות בתוך נוזלים זמינות מסחרית טכנולוגיות שונות, כגון הומוגנייזרים בלחץ גבוה, טחנות חרוזים עם בוחש, טחנות סילונים מתנגשים ומערבלי רוטור־סטטור. עם זאת, למפזרים אולטרסוניים יש יתרונות משמעותיים. קראו בהמשך כיצד פועל פיזור אולטרסוני ומהם יתרונותיו.

עקרון הפעולה של קוויטציה ופיזור אולטרסוניים

במהלך סוניקציה, גלי קול בתדר גבוה יוצרים בתווך הנוזלי אזורים מתחלפים של דחיסה וקלישה. כאשר גלי הקול עוברים בתווך, הם יוצרים בועות המתרחבות במהירות ולאחר מכן קורסות בעוצמה. תהליך זה נקרא קוויטציה אקוסטית. קריסת הבועות יוצרת גלי הלם בלחץ גבוה, מיקרו־סילונים וכוחות גזירה שיכולים לפרק חלקיקים גדולים יותר ואגלומרטים לחלקיקים קטנים יותר. בתהליכי פיזור אולטרסוני, החלקיקים עצמם בדיספרסיה משמשים כתווך טחינה. כוחות הגזירה של הקוויטציה האולטרסונית מאיצים את החלקיקים, והם מתנגשים זה בזה ומתנפצים לשברים זעירים. מכיוון שלא מוסיפים חרוזים או כדוריות לדיספרסיה המטופלת באולטרסאונד, נמנעים לחלוטין ההפרדה והניקוי של תווך הטחינה, הכרוכים בזמן ובעבודה מרובים, וכן זיהום הדיספרסיה.
זו הסיבה שסוניקציה יעילה כל כך בפיזור חלקיקים ובפירוק האגלומרטים שלהם, גם כאשר קשה לפרקם בשיטות אחרות. התוצאה היא התפלגות אחידה יותר של חלקיקים, המובילה לשיפור באיכות המוצר ובביצועיו.
בנוסף, באמצעות סוניקציה ניתן לטפל בקלות בננו־חומרים, לפזר ולסנתז אותם, ובהם ננו־כדוריות, ננו־גבישים, ננו־יריעות, ננו־סיבים, ננו־חוטים, חלקיקי ליבה־מעטפת ומבנים מורכבים אחרים.
יתר על כן, ניתן לבצע סוניקציה בפרק זמן קצר יחסית, וזהו יתרון משמעותי על פני טכניקות פיזור אחרות.

יתרונות המפזרים האולטרסוניים על פני טכנולוגיות ערבוב חלופיות

מפזרים אולטרסוניים מציעים כמה יתרונות על פני טכנולוגיות ערבוב חלופיות, כגון הומוגנייזרים בלחץ גבוה, טחינה בחרוזים או ערבוב באמצעות רוטור־סטטור. כמה מהיתרונות הבולטים ביותר כוללים:

• הקטנה משופרת של גודל החלקיקים: מפזרים אולטרסוניים יכולים להקטין ביעילות את גודל החלקיקים לטווח הננומטרי, דבר שאינו אפשרי בטכנולוגיות ערבוב רבות אחרות. תכונה זו הופכת אותם לאידאליים ליישומים שבהם גודל חלקיקים קטן הוא קריטי.
• ערבוב מהיר יותר: מפזרים אולטרסוניים יכולים לערבב ולפזר חומרים מהר יותר מטכנולוגיות רבות אחרות, וכך לחסוך זמן ולהגדיל את התפוקה.
• ללא זיהום: מפזרים אולטרסוניים אינם מצריכים שימוש באמצעי טחינה כגון חרוזים או כדוריות, המזהמים את הדיספרסיה עקב שחיקה.
• איכות מוצר טובה יותר: מפזרים אולטרסוניים יכולים לייצר תערובות ותרחיפים אחידים יותר, וכך לשפר את איכות המוצר ואת אחידותו. במיוחד במצב של זרימה רציפה, התרחיף המיועד לפיזור עובר דרך אזור הקוויטציה האולטרסונית באופן מבוקר ביותר, המבטיח טיפול אחיד מאוד.
• צריכת אנרגיה נמוכה יותר: מפזרים אולטרסוניים צורכים בדרך כלל פחות אנרגיה מטכנולוגיות אחרות, וכך מפחיתים את עלויות התפעול.
• רב־תכליתיות: אפשר להשתמש במפזרים אולטרסוניים למגוון רחב של יישומים, ובהם הומוגניזציה, תחלוב, פיזור ופירוק אגלומרטים. הם יכולים גם לעבד מגוון חומרים, ובהם חומרים שוחקים, סיבים, נוזלים קורוזיביים ואפילו גזים.

בזכות יתרונות אלה בתהליך, וכן בזכות אמינותם והתפעול הפשוט שלהם, מפזרים אולטרסוניים עולים בביצועיהם על טכנולוגיות ערבוב חלופיות, ולכן הם בחירה נפוצה ביישומים תעשייתיים רבים.

פיזור אולטרסוני של סיליקה פירוגנית במים: לפני הטיפול האולטרסוני, גודל חלקיקי הסיליקה המאוגדים באגלומרטים גדול מ־200 מיקרון (D50). לאחר הפיזור האולטרסוני של הסיליקה הפירוגנית, גודלם של רוב החלקיקים הוקטן לפחות מ־200 ננומטר.

פיזור ופירוק אגלומרטים באמצעות אולטרסאונד בכל קנה מידה

Hielscher מציעה מכשירים אולטרסוניים לפיזור ולפירוק אגלומרטים בכל נפח, לעיבוד באצוות או בקו הייצור. מכשירים אולטרסוניים מעבדתיים משמשים לנפחים מ־1.5mL עד כ־2L. מכשירים אולטרסוניים תעשייתיים משמשים בפיתוח תהליכים ובייצור לאצוות מ־0.5 עד כ־2000L או לספיקות זרימה מ־0.1L עד 20m³ לשעה.

המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד, וכך לפזר ולטחון חלקיקים באופן אמין לקנה מידה ננומטרי. אפשר לעבוד בקלות וברציפות באמפליטודות של עד 200µm בהפעלה 24/7. לאמפליטודות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות בהתאמה אישית.

יתרונות הפיזור האולטרסוני: קל להגדיל את קנה המידה

בשונה מטכנולוגיות פיזור אחרות, אפשר להגדיל בקלות את קנה המידה של הטיפול האולטרסוני מהמעבדה לייצור. בדיקות מעבדה מאפשרות לבחור במדויק את גודל הציוד הנדרש. בעת השימוש בקנה המידה הסופי, תוצאות התהליך זהות לתוצאות המעבדה.

מכשירים אולטרסוניים: עמידים וקלים לניקוי

ההספק האולטרסוני מועבר אל הנוזל באמצעות סונוטרודה. זהו רכיב שבדרך כלל בעל סימטריה סיבובית, המיוצר בעיבוד שבבי מטיטניום מלא באיכות תעופתית. זהו גם הרכיב היחיד שבא במגע עם הנוזל ונע / רוטט. זהו הרכיב היחיד הנתון לשחיקה, וניתן להחליפו בקלות בתוך דקות. אוגנים לניתוק תנודות מאפשרים להתקין את הסונוטרודה בכל כיוון במכלים פתוחים או סגורים הניתנים להפעלה בלחץ, או בתאי זרימה. אין צורך במיסבים. כל יתר הרכיבים הבאים במגע עם הנוזל עשויים בדרך כלל מפלדת אל־חלד. לכורי תאי זרימה יש צורות גאומטריות פשוטות, וניתן לפרק ולנקות אותם בקלות, למשל באמצעות שטיפה וניגוב פנימי. אין פתחים קטנים או פינות נסתרות.

ניקוי אולטרסוני במקום

אולטרסאונד מוכר היטב בזכות יישומי הניקוי שלו, כגון ניקוי משטחים וחלקים. העוצמה האולטרסונית המשמשת ליישומי פיזור גבוהה בהרבה מזו המשמשת לניקוי אולטרסוני טיפוסי. כשמדובר בניקוי חלקי המכשיר האולטרסוני הבאים במגע עם הנוזל, ניתן להשתמש בהספק האולטרסוני כדי לסייע בניקוי במהלך פעולות השטיפה, שכן הקוויטציה האולטרסונית / האקוסטית מסירה חלקיקים ושאריות נוזל מהסונוטרודה ומדפנות תא הזרימה.

ספרות / מקורות

• 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.