Ultrazvučno dispergiranje i deaglomeracija

Dispergiranje i deaglomeracija krutih tvari u tekućinama važna je primjena ultrazvuka velike snage i sonikatora sa sondom. Ultrazvučna kavitacija stvara iznimno snažno smicanje koje razbija aglomerate čestica na pojedinačne dispergirane čestice. Zbog svojih lokalno usmjerenih snažnih smičnih sila, sonikacija je idealna za proizvodnju disperzija s česticama mikrometarskih i nanometarskih veličina za eksperimentiranje, istraživanje i razvoj te, naravno, za industrijsku proizvodnju.

Umješavanje prašaka u tekućine uobičajen je korak u formuliranju različitih proizvoda, kao što su boje, tinte, kozmetički proizvodi, napitci, hidrogelovi ili sredstva za poliranje. Pojedinačne čestice na okupu drže privlačne sile različite fizikalne i kemijske prirode, uključujući van der Waalsove sile i površinsku napetost tekućine. Taj je učinak snažniji u tekućinama veće viskoznosti, kao što su polimeri ili smole. Privlačne sile moraju se svladati kako bi se čestice deaglomerirale i dispergirale u tekućim medijima. U nastavku pročitajte zašto su ultrazvučni homogenizatori nadmoćna oprema za dispergiranje čestica submikrometarskih i nanometarskih veličina u laboratoriju i industriji.

Ultrazvučno dispergiranje krutih tvari u tekućinama

Princip rada ultrazvučnih homogenizatora temelji se na pojavi akustične kavitacije. Poznato je da akustična kavitacija stvara intenzivne fizikalne sile, uključujući vrlo snažne smične sile. Primjena mehaničkog naprezanja razbija aglomerate čestica. Tekućina se pritom također utiskuje između čestica.
Za dispergiranje prašaka u tekućinama komercijalno su dostupne različite tehnologije, poput visokotlačnih homogenizatora, mlinova s kuglicama i miješalom, mlinova sa sudarajućim mlazovima i miješalica s rotorom i statorom. Međutim, ultrazvučni dispergatori imaju značajne prednosti. U nastavku pročitajte kako djeluje ultrazvučno dispergiranje i koje su njegove prednosti.

 

Videozapis prikazuje ultrazvučno dispergiranje crvene boje uređajem UP400St sa sondom S24d 22mm.

 

Princip djelovanja ultrazvučne kavitacije i dispergiranja

Tijekom sonikacije visokofrekvencijski zvučni valovi stvaraju naizmjenična područja kompresije i razrjeđenja u tekućem mediju. Dok zvučni valovi prolaze kroz medij, stvaraju mjehuriće koji se brzo šire, a zatim silovito urušavaju. Taj se proces naziva akustična kavitacija. Urušavanje mjehurića stvara visokotlačne udarne valove, mikromlazove i smične sile koje mogu razbiti veće čestice i aglomerate na manje čestice. U procesima ultrazvučnog dispergiranja same čestice u disperziji služe kao medij za mljevenje. Ubrzane smičnim silama ultrazvučne kavitacije, čestice se međusobno sudaraju i razbijaju u sitne fragmente. Budući da se ultrazvučno obrađenoj disperziji ne dodaju kuglice ni perle, u potpunosti se izbjegavaju dugotrajno i radno zahtjevno odvajanje i čišćenje medija za mljevenje, kao i kontaminacija.
Zbog toga je sonikacija toliko učinkovita u dispergiranju i deaglomeraciji čestica, čak i onih koje je teško razbiti drugim metodama. Time se postiže ravnomjernija raspodjela čestica, što dovodi do poboljšane kvalitete i svojstava proizvoda.
Osim toga, sonikacijom se lako mogu obrađivati, dispergirati i sintetizirati nanomaterijali poput nanosfera, nanokristala, nanolistova, nanovlakana, nanožica, čestica s jezgrom i ljuskom te drugih složenih struktura.
Nadalje, sonikacija se može provesti u relativno kratkom vremenu, što je velika prednost u odnosu na druge tehnike dispergiranja.

Prednosti ultrazvučnih dispergatora u odnosu na alternativne tehnologije miješanja

Ultrazvučni dispergatori nude nekoliko prednosti u odnosu na alternativne tehnologije miješanja, poput visokotlačnih homogenizatora, mljevenja kuglicama ili miješanja rotorom i statorom. Neke od najistaknutijih prednosti uključuju:

• Poboljšano smanjenje veličine čestica: Ultrazvučni dispergatori mogu učinkovito smanjiti veličinu čestica na nanometarsko područje, što nije moguće mnogim drugim tehnologijama miješanja. Zbog toga su idealni za primjene u kojima je mala veličina čestica ključna.
• Brže miješanje: Ultrazvučni dispergatori mogu miješati i dispergirati materijale brže od mnogih drugih tehnologija, čime se štedi vrijeme i povećava produktivnost.
• Bez kontaminacije: Ultrazvučni dispergatori ne zahtijevaju upotrebu sredstava za mljevenje poput kuglica ili perli, koja abrazijom kontaminiraju disperziju.
• Bolja kvaliteta proizvoda: Ultrazvučni dispergatori mogu proizvesti ujednačenije smjese i suspenzije, što rezultira boljom kvalitetom i ujednačenošću proizvoda. Osobito u protočnom načinu rada, disperzijska suspenzija prolazi kroz zonu ultrazvučne kavitacije na strogo kontroliran način, čime se osigurava vrlo ujednačena obrada.
• Manja potrošnja energije: Ultrazvučni dispergatori obično zahtijevaju manje energije od drugih tehnologija, čime se smanjuju operativni troškovi.
• Svestranost: Ultrazvučni dispergatori mogu se upotrebljavati za širok raspon primjena, uključujući homogenizaciju, emulgiranje, dispergiranje i deaglomeraciju. Također mogu obrađivati različite materijale, uključujući abrazivne materijale, vlakna, korozivne tekućine, pa čak i plinove.

Zbog tih procesnih prednosti, kao i pouzdanosti i jednostavnog rukovanja, ultrazvučni dispergatori nadmašuju alternativne tehnologije miješanja, što ih čini popularnim izborom za mnoge industrijske primjene.

Ultrazvučno dispergiranje i deaglomeracija u bilo kojem mjerilu

Hielscher nudi ultrazvučne uređaje za dispergiranje i deaglomeraciju bilo kojeg volumena pri šaržnoj ili linijskoj obradi. Ultrazvučni laboratorijski uređaji upotrebljavaju se za volumene od 1,5mL do približno 2L. Industrijski ultrazvučni uređaji upotrebljavaju se u razvoju procesa i proizvodnji za šarže od 0,5 do približno 2000L ili protoke od 0,1L do 20m³ na sat.

Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude, čime pouzdano dispergiraju i melju čestice do nanometarskih dimenzija. Amplitude do 200µm mogu se bez poteškoća kontinuirano održavati u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su ultrazvučne sonotrode izrađene po mjeri.

Tablica u nastavku prikazuje približan kapacitet obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Ultrazvučno dispergiranje ugljikovih nanocijevi – ultrazvučni uređaj Hielscher UP400S (400W) brzo i učinkovito dispergira i raspliće ugljikove nanocijevi (CNT) u pojedinačne nanocijevi.

Prednosti ultrazvučnog dispergiranja: jednostavno povećanje mjerila

Za razliku od drugih tehnologija dispergiranja, ultrazvučna obrada može se jednostavno prenijeti iz laboratorijskog u proizvodno mjerilo. Laboratorijska ispitivanja omogućuju precizan odabir potrebne veličine opreme. Pri primjeni u konačnom mjerilu rezultati procesa identični su laboratorijskim rezultatima.

Ultrazvučni uređaji: robusni i jednostavni za čišćenje

Ultrazvučna snaga prenosi se u tekućinu putem sonotrode. To je obično rotacijski simetričan dio izrađen strojnom obradom iz punog titanija zrakoplovne kvalitete. To je ujedno jedini pokretni / vibrirajući dio u dodiru s tekućinom. To je jedini dio podložan trošenju i može se lako zamijeniti u roku od nekoliko minuta. Prirubnice za izolaciju oscilacija omogućuju ugradnju sonotrode u otvorene ili zatvorene posude koje se mogu staviti pod tlak ili u protočne ćelije, u bilo kojem položaju. Ležajevi nisu potrebni. Svi ostali dijelovi u dodiru s tekućinom uglavnom su izrađeni od nehrđajućeg čelika. Reaktori s protočnim ćelijama jednostavne su geometrije i mogu se lako rastaviti i očistiti, npr. ispiranjem i brisanjem unutrašnjosti. Nema malih otvora ni skrivenih kutova.

Ultrazvučno čišćenje na mjestu

Ultrazvuk je dobro poznat po primjenama u čišćenju, primjerice čišćenju površina i dijelova. Intenzitet ultrazvuka koji se primjenjuje za dispergiranje mnogo je viši nego pri uobičajenom ultrazvučnom čišćenju. Pri čišćenju dijelova ultrazvučnog uređaja koji su u dodiru s tekućinom, ultrazvučna snaga može se upotrijebiti kao pomoć pri čišćenju tijekom ispiranja i proplahivanja jer ultrazvučna / akustična kavitacija uklanja čestice i ostatke tekućine sa sonotrode i sa stijenki protočne ćelije.

---

---

Literatura / Reference

• 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.