Ultrahangos diszpergálás és deagglomerálás

A szilárd anyagok folyadékokban történő diszpergálása és deagglomerálása a nagy teljesítményű ultrahang és a szondás ultrahangos készülékek fontos alkalmazási területe. Az ultrahangos kavitáció rendkívül nagy nyíróhatást hoz létre, amely a részecskeagglomerátumokat különálló, diszpergált részecskékre bontja. A lokálisan koncentrált, nagy nyíróerőknek köszönhetően az ultrahangos kezelés ideális mikrométeres és nanométeres méretű részecskéket tartalmazó diszperziók előállítására kísérletezéshez, kutatáshoz és fejlesztéshez, valamint természetesen ipari gyártáshoz.

A porok folyadékokba keverése számos termék, például festékek, tinták, kozmetikumok, italok, hidrogélek vagy polírozó közegek formulálásának gyakori lépése. Az egyes részecskéket különféle fizikai és kémiai természetű vonzóerők tartják össze, köztük a van der Waals-erők és a folyadék felületi feszültsége. Ez a hatás erősebb a nagyobb viszkozitású folyadékok, például polimerek vagy gyanták esetében. A vonzóerőket le kell győzni ahhoz, hogy a részecskék deagglomerálhatók és folyékony közegekben diszpergálhatók legyenek. Az alábbiakban megtudhatja, miért az ultrahangos homogenizátorok a legjobb diszpergáló berendezések a szubmikronos és nanométeres méretű részecskék laboratóriumi és ipari diszpergálásához.

Szilárd anyagok ultrahangos diszpergálása folyadékokban

Az ultrahangos homogenizátorok működési elve az akusztikus kavitáció jelenségén alapul. Az akusztikus kavitáció közismerten intenzív fizikai erőket, köztük igen erős nyíróerőket hoz létre. A mechanikai igénybevétel szétbontja a részecskeagglomerátumokat. Emellett folyadék préselődik a részecskék közé.
A porok folyadékokban történő diszpergálására különféle technológiák érhetők el a kereskedelemben, például nagynyomású homogenizátorok, keverős gyöngymalmok, ütközősugár-malmok és rotor–sztátor keverők. Az ultrahangos diszpergálóknak azonban jelentős előnyeik vannak. Az alábbiakban megtudhatja, hogyan működik az ultrahangos diszpergálás, és milyen előnyökkel jár.

 

A videó vörös színezék ultrahangos diszpergálását mutatja be az UP400St készülékkel és S24d 22mm szondával.

 

Az ultrahangos kavitáció és diszpergálás működési elve

Az ultrahangos kezelés során a nagyfrekvenciás hanghullámok váltakozó sűrűsödési és ritkulási tartományokat hoznak létre a folyékony közegben. A közegen áthaladó hanghullámok buborékokat hoznak létre, amelyek gyorsan kitágulnak, majd hevesen összeomlanak. Ezt a folyamatot akusztikus kavitációnak nevezzük. A buborékok összeomlása nagynyomású lökéshullámokat, mikrosugarakat és nyíróerőket hoz létre, amelyek a nagyobb részecskéket és agglomerátumokat kisebb részecskékre bonthatják. Az ultrahangos diszpergálási folyamatokban maguk a diszperzióban lévő részecskék szolgálnak őrlőközegként. Az ultrahangos kavitáció nyíróerői által felgyorsított részecskék egymásnak ütköznek, és apró darabokra törnek. Mivel az ultrahanggal kezelt diszperzióhoz nem adnak gyöngyöket vagy golyókat, az őrlőközeg időigényes és munkaigényes elválasztása és tisztítása, valamint a szennyeződés teljesen elkerülhető.
Ez teszi az ultrahangos kezelést olyan hatékonnyá a részecskék diszpergálásában és deagglomerálásában, még azok esetében is, amelyeket más módszerekkel nehéz szétbontani. Ez egyenletesebb részecskeeloszlást eredményez, ami javítja a termék minőségét és teljesítményét.
Emellett az ultrahangos kezelés könnyen alkalmazható olyan nanoanyagok kezelésére, diszpergálására és szintézisére, mint a nanogömbök, nanokristályok, nanolemezek, nanoszálak, nanohuzalok, mag–héj részecskék és más összetett szerkezetek.
Továbbá az ultrahangos kezelés viszonylag rövid idő alatt elvégezhető, ami jelentős előny más diszpergálási technikákkal szemben.

Az ultrahangos diszpergálók előnyei az alternatív keverési technológiákkal szemben

Az ultrahangos diszpergálók számos előnyt kínálnak az alternatív keverési technológiákkal, például a nagynyomású homogenizátorokkal, a gyöngymalmokkal végzett őrléssel vagy a rotor–sztátor keveréssel szemben. A legjelentősebb előnyök közé tartoznak a következők:

• Hatékonyabb részecskeméret-csökkentés: Az ultrahangos diszpergálók hatékonyan csökkenthetik a részecskék méretét a nanométeres tartományig, ami sok más keverési technológiával nem lehetséges. Ez ideálissá teszi őket olyan alkalmazásokhoz, amelyeknél a finom részecskeméret döntő fontosságú.
• Gyorsabb keverés: Az ultrahangos diszpergálók sok más technológiánál gyorsabban képesek keverni és diszpergálni az anyagokat, ami időt takarít meg és növeli a termelékenységet.
• Nincs szennyeződés: Az ultrahangos diszpergálók nem igényelnek őrlőközeget, például gyöngyöket vagy golyókat, amelyek kopás révén szennyezik a diszperziót.
• Jobb termékminőség: Az ultrahangos diszpergálók egyenletesebb keverékeket és szuszpenziókat képesek előállítani, ami jobb és állandóbb termékminőséget eredményez. Különösen átfolyásos üzemmódban halad át a diszperziós szuszpenzió az ultrahangos kavitációs zónán szigorúan szabályozott módon, ami rendkívül egyenletes kezelést biztosít.
• Alacsonyabb energiafogyasztás: Az ultrahangos diszpergálók jellemzően kevesebb energiát igényelnek más technológiáknál, ami csökkenti az üzemeltetési költségeket.
• Sokoldalúság: Az ultrahangos diszpergálók számos alkalmazásra használhatók, többek között homogenizálásra, emulgeálásra, diszpergálásra és deagglomerálásra. Különféle anyagok kezelésére is alkalmasak, köztük koptató hatású anyagok, szálak, korrozív folyadékok, sőt gázok kezelésére is.

Ezen technológiai előnyöknek, valamint a megbízhatóságnak és az egyszerű kezelésnek köszönhetően az ultrahangos diszpergálók felülmúlják az alternatív keverési technológiákat, ezért számos ipari alkalmazásban népszerű választásnak számítanak.

Ultrahangos diszpergálás és deagglomerálás bármilyen méretben

A Hielscher bármilyen térfogat diszpergálásához és deagglomerálásához kínál ultrahangos készülékeket szakaszos vagy folyamatos átfolyásos feldolgozásra. Az ultrahangos laboratóriumi készülékeket 1,5mL és körülbelül 2L közötti térfogatokhoz használják. Az ipari ultrahangos készülékeket folyamatfejlesztésben és gyártásban alkalmazzák 0,5 és körülbelül 2000L közötti adagokhoz, illetve óránként 0,1L és 20m³ közötti térfogatáramokhoz.

A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorai igen nagy amplitúdókat képesek biztosítani, ezáltal megbízhatóan diszpergálják és nanoméretűre őrlik a részecskéket. Az akár 200µm-es amplitúdók is könnyen fenntarthatók folyamatos, 24/7 üzemmódban. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi kialakítású ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre.

Az alábbi táblázat tájékoztatást nyújt ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Szén nanocsövek ultrahangos diszpergálása – A Hielscher UP400S (400W) ultrahangos készülék gyorsan és hatékonyan diszpergálja és választja szét egyedi nanocsövekre az összegabalyodott szén nanocsöveket.

Az ultrahangos diszpergálás előnyei: Könnyű léptéknövelés

Más diszpergálási technológiáktól eltérően az ultrahangos kezelés léptéke könnyen növelhető a laboratóriumi mérettől a gyártási méretig. A laboratóriumi vizsgálatok lehetővé teszik a szükséges berendezésméret pontos kiválasztását. A végleges léptékben alkalmazva az eljárás eredményei megegyeznek a laboratóriumi eredményekkel.

Ultrahangos készülékek: Robusztusak és könnyen tisztíthatók

Az ultrahangos teljesítményt egy szonotróda továbbítja a folyadékba. Ez jellemzően forgásszimmetrikus alkatrész, amelyet tömör, repülőgépipari minőségű titánból munkálnak meg. Ez egyben az egyetlen mozgó / rezgő, folyadékkal érintkező alkatrész is. Ez az egyetlen kopásnak kitett alkatrész, és néhány percen belül könnyen cserélhető. A rezgést leválasztó karimák lehetővé teszik, hogy a szonotródát bármilyen tájolásban nyitott vagy zárt, nyomás alá helyezhető tartályokba vagy átfolyó cellákba szereljék. Nincs szükség csapágyakra. Az összes többi, folyadékkal érintkező alkatrész általában rozsdamentes acélból készül. Az átfolyó cellás reaktorok geometriája egyszerű, és könnyen szétszerelhetők és tisztíthatók, például átöblítéssel és kitörléssel. Nincsenek kis nyílások vagy rejtett sarkok.

Ultrahangos helyben tisztítás

Az ultrahang jól ismert tisztítási alkalmazásairól, például a felületek és alkatrészek tisztításáról. A diszpergálási alkalmazásokban használt ultrahang intenzitása sokkal nagyobb, mint a szokásos ultrahangos tisztításnál. Az ultrahangos készülék folyadékkal érintkező alkatrészeinek tisztításakor az ultrahangos teljesítmény felhasználható az átöblítés és öblítés során végzett tisztítás elősegítésére, mivel az ultrahangos / akusztikus kavitáció eltávolítja a részecskéket és a folyadékmaradványokat a szonotródáról és az átfolyó cella falairól.

---

---

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.