Raspršivanje i deaglomeracija krutih tvari u tekućine važna je primjena ultrazvuka snage i ultrazvuka tipa sonde. Ultrazvučna kavitacija generira izvanredno visoke smicanje koje razbija čestice aglomerata u pojedinačne raspršene čestice. Zbog svojih lokalno usmjerenih visokih sila smicanja, ultrazvukom je idealna za proizvodnju disperzija mircona i nano veličine za eksperimentiranje, istraživanje i razvoj, te naravno za industrijsku proizvodnju.

Miješanje praha u tekućine čest je korak u formulaciji raznih proizvoda, kao što su boja, tinta, kozmetika, pića, hidrogelovi ili mediji za poliranje. Pojedinačne čestice drže se zajedno silama privlačenja različite fizičke i kemijske prirode, uključujući van der Waalsove sile i napetost tekuće površine. Ovaj učinak je jači za tekućine veće viskoznosti, kao što su polimeri ili smole. Sile privlačenja moraju se prevladati kako bi se čestice deaglomerirale i raspršile u tekuće medije. U nastavku pročitajte zašto su ultrazvučni homogenizatori vrhunska disperzijska oprema za disperziju čestica submikronske i nano veličine u laboratoriju i industriji.

Ultrazvučno raspršivanje krutih tvari u tekućine

Princip rada ultrazvučnih homogenizatora temelji se na fenomenu akustične kavitacije. Poznato je da akustična kavitacija stvara intenzivne fizičke sile, uključujući vrlo jake sile smicanja. Primjena mehaničkog naprezanja razdvaja aglomeracije čestica. Također, tekućina se preša između čestica.
Dok je za raspršivanje praha u tekućine komercijalno dostupne različite tehnologije kao što su homogenizatori visokog tlaka, mlinovi za agitatorske kuglice, mlinovi za blokiranje mlaznjaka i rotora-stator-mikser. Međutim ultrazvučni raspršivači imaju značajne prednosti. U nastavku pročitajte kako djeluje ultrazvučna disperzija i koje su prednosti ultrazvučne disperzije.

 

 

Princip rada ultrazvučne kavitacije i disperzije

Tijekom ultrazvukom, visokofrekventni zvučni valovi stvaraju naizmjenična područja kompresije i razrjeđivanja u tekućem mediju. Kako zvučni valovi prolaze kroz medij, stvaraju mjehuriće koji se brzo šire, a zatim nasilno urušavaju. Taj se proces naziva akustična kavitacija. Kolaps mjehurića stvara visokotlačne udarne valove, mikromjetove i sile smicanja koje mogu razgraditi veće čestice i aglomeracije na manje čestice. U ultrazvučnim disperzijskim procesima, same čestice u disperziji funkcioniraju kao medij za glodanje. Ubrzane silama smicanja ultrazvučne kavitacije, čestice se sudaraju jedna s drugom i razbijaju u sitne fragmente. Budući da se ultrazvučno tretiranoj disperziji ne dodaju kuglice ili biseri, u potpunosti se izbjegava dugotrajno i radno intenzivno odvajanje i čišćenje medija za glodanje, kao i kontaminacija.
To sonication čini tako učinkovitim u raspršivanju i deaglomeraciji čestica, čak i onih koje je teško razgraditi drugim metodama. To rezultira ravnomjernijom raspodjelom čestica, što dovodi do poboljšane kvalitete i performansi proizvoda.
Osim toga, ultrazvukom se lako mogu rukovati, raspršiti i sintetizirati nanomaterijale kao što su nanosfere, nanokristali, nanosheeti, nanofibre, nanožice, čestice jezgre i druge složene strukture.
Nadalje, ultrazvukom se može izvesti u relativno kratkom vremenskom okviru, što je velika prednost u odnosu na druge tehnike disperzije.

Prednosti ultrazvučnih raspršivača u odnosu na alternativne tehnologije miješanja

Ultrazvučni raspršivači nude nekoliko prednosti u odnosu na alternativne tehnologije miješanja kao što su visokotlačni homogenizatori, glodanje perli ili miješanje rotora i statora. Neke od najistaknutijih prednosti uključuju:

• Poboljšano smanjenje veličine čestica: Ultrazvučni raspršivači mogu učinkovito smanjiti veličine čestica na nanometarski raspon, što nije moguće s mnogim drugim tehnologijama miješanja. To ih čini idealnim za primjene gdje je fina veličina čestica kritična.
• Brže miješanje: Ultrazvučni raspršivači mogu miješati i raspršiti materijale brže od mnogih drugih tehnologija, što štedi vrijeme i povećava produktivnost.
• Nema kontaminacije: Ultrazvučni raspršivači ne zahtijevaju korištenje glodanje medija auch kao perle ili biseri, koji kontaminiraju disperziju abrazijom.
• Bolja kvaliteta proizvoda: Ultrazvučni raspršivači mogu proizvesti više ujednačenih smjesa i suspenzija, što rezultira boljom kvalitetom i konzistencijom proizvoda. Posebno u protočnom načinu rada, disperzijska kaša prolazi ultrazvučnu kavitacijsku zonu na visoko kontroliran način osiguravajući vrlo ujednačen tretman.
• Manja potrošnja energije: Ultrazvučni raspršivači obično zahtijevaju manje energije od drugih tehnologija, što smanjuje operativne troškove.
• Svestranost: Ultrazvučni raspršivači mogu se koristiti za širok raspon primjena, uključujući homogenizaciju, emulgiranje, disperziju i deaglomeraciju. Također mogu rukovati raznim materijalima, uključujući abrazivne materijale, vlakna, korozivne tekućine, pa čak i plinove.

Zbog tih prednosti procesa, kao i pouzdanosti i jednostavnog rada, ultrazvučni raspršivači nadmašuju alternativne tehnologije miješanja, što ih čini popularnim izborom za mnoge industrijske primjene.

Ultrazvučno raspršivanje i deaglomeracija u bilo kojoj skali

Hielscher nudi ultrazvučne uređaje za raspršivanje i deaglomeraciju bilo kojeg volumena za seriju ili inline obradu. Ultrazvučni laboratorijski uređaji koriste se za volumene od 1,5mL do približno 2L. Industrijski ultrazvučni uređaji koriste se u razvoju procesa i proizvodnji za serije od 0,5 do približno 2000L ili brzine protoka od 0,1L do 20m³ na sat.

Hielscher Ultrasonics industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude čime pouzdano raspršuju i glodaju čestice na nano-ljestvicu. Amplitude do 200μm mogu se lako kontinuirano pokretati u 24/7 radu. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.

Tablica u nastavku daje vam pokazatelj približne mogućnosti obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Prednosti ultrazvučne disperzije: Lako se povećava

Za razliku od ostalih tehnologija raspršivanja, ultrazvuka se može lako povećati od laboratorija do veličine proizvodnje. Laboratorijska ispitivanja omogućit će točan odabir potrebne veličine opreme. Kada se koriste u konačnoj skali, rezultati procesa identični su laboratorijskim rezultatima.

Ultrasonicators: Robustan i jednostavan za čišćenje

Ultrazvučna snaga se prenosi u tekućinu putem sonotrode. To je tipično rotacijski simetrični dio, koji je strojno obrađen od titana kvalitete čvrstog zrakoplova. To je ujedno i jedini pokretni / vibrirajući mokri dio. To je jedini dio, koji je podložan trošenju i lako se može zamijeniti u roku od nekoliko minuta. Prirubnice za odvajanje oscilacija omogućuju montiranje sonotrode u otvorene ili zatvorene spremnike pod tlakom ili stanice protoka u bilo kojoj orijentaciji. Nisu potrebni ležajevi. Svi ostali navlaženi dijelovi uglavnom su izrađeni od nehrđajućeg čelika. Reaktori stanica protoka imaju jednostavne geometrije i mogu se lako rastaviti i očistiti, npr. ispiranjem i brisanjem. Nema malih otvora ili skrivenih kutova.

Ultrazvučno čišćenje u Place

Ultrazvuk je poznat po svojim primjenama čišćenja, takvoj površini, čišćenju dijelova. Ultrazvučni intenzitet koji se koristi za raspršivanje aplikacija je mnogo veći nego za tipično ultrazvučno čišćenje. Što se tiče čišćenja vlažnih dijelova ultrazvučnog uređaja, ultrazvučna snaga može se koristiti za pomoć u čišćenju tijekom ispiranja i ispiranja, jer ultrazvučna / akustična kavitacija uklanja čestice i tekuće ostatke iz sonotrode i iz protočnih staničnih stijenki.

---

---

Književnost / 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.