Dispersione e deagglomerazione a ultrasuoni

La dispersione e la deagglomerazione di solidi nei liquidi è un'importante applicazione degli ultrasuoni di potenza e dei sonicatori a sonda. La cavitazione ultrasonica genera un taglio straordinariamente elevato che rompe gli agglomerati di particelle in singole particelle disperse. Grazie alle elevate forze di taglio focalizzate localmente, la sonicazione è ideale per produrre dispersioni di dimensioni mirconiche e nanometriche per la sperimentazione, la ricerca e lo sviluppo e, naturalmente, per la produzione industriale.

La miscelazione di polveri in liquidi è una fase comune nella formulazione di vari prodotti, come vernici, inchiostri, cosmetici, bevande, idrogel o mezzi di lucidatura. Le singole particelle sono tenute insieme da forze di attrazione di varia natura fisica e chimica, tra cui le forze di van der Waals e la tensione superficiale dei liquidi. Questo effetto è più forte per i liquidi a più alta viscosità, come i polimeri o le resine. Le forze di attrazione devono essere superate per deagglomerare e disperdere le particelle nei liquidi. Leggete qui di seguito perché gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono l'apparecchiatura superiore per la dispersione di particelle di dimensioni submicroniche e nanometriche in laboratorio e nell'industria.

Dispersione a ultrasuoni di solidi in liquidi

Il principio di funzionamento degli omogeneizzatori a ultrasuoni si basa sul fenomeno della cavitazione acustica. È noto che la cavitazione acustica crea intense forze fisiche, tra cui forze di taglio molto forti. L'applicazione di sollecitazioni meccaniche rompe gli agglomerati di particelle. Inoltre, il liquido viene spinto tra le particelle.
Per la dispersione delle polveri nei liquidi sono disponibili in commercio varie tecnologie, come omogeneizzatori ad alta pressione, mulini a perle con agitatore, mulini a getto d'acqua e miscelatori a rotore e statore. Tuttavia, i disperdenti a ultrasuoni presentano vantaggi significativi. Leggete di seguito come funziona la dispersione a ultrasuoni e quali sono i suoi vantaggi.

 

 

Il principio di funzionamento della cavitazione e della dispersione a ultrasuoni

Durante la sonicazione, le onde sonore ad alta frequenza creano aree alternate di compressione e rarefazione nel mezzo liquido. Quando le onde sonore attraversano il mezzo, creano bolle che si espandono rapidamente e poi collassano violentemente. Questo processo è chiamato cavitazione acustica. Il collasso delle bolle genera onde d'urto ad alta pressione, microgetti e forze di taglio che possono rompere le particelle più grandi e gli agglomerati in particelle più piccole. Nei processi di dispersione a ultrasuoni, le particelle stesse nella dispersione fungono da mezzo di macinazione. Accelerate dalle forze di taglio della cavitazione ultrasonica, le particelle si scontrano tra loro e si frantumano in minuscoli frammenti. Poiché alla dispersione trattata con ultrasuoni non vengono aggiunte sfere o perle, si evitano completamente la separazione e la pulizia dei mezzi di macinazione, che richiedono tempo e lavoro, e la contaminazione.
Questo rende la sonicazione così efficace nel disperdere e deagglomerare le particelle, anche quelle difficili da rompere con altri metodi. Il risultato è una distribuzione più uniforme delle particelle, con conseguente miglioramento della qualità e delle prestazioni del prodotto.
Inoltre, la sonicazione può facilmente manipolare, disperdere e sintetizzare nanomateriali come nanosfere, nanocristalli, nanostrati, nanofibre, nanofili, particelle core-shell e altre strutture complesse.
Inoltre, la sonicazione può essere eseguita in tempi relativamente brevi, il che rappresenta un grande vantaggio rispetto ad altre tecniche di dispersione.

Vantaggi dei dispersori a ultrasuoni rispetto alle tecnologie di miscelazione alternative

I disperdenti a ultrasuoni offrono diversi vantaggi rispetto alle tecnologie di miscelazione alternative, come gli omogeneizzatori ad alta pressione, la macinazione delle perle o la miscelazione a rotore-statore. Alcuni dei vantaggi più importanti sono:

• Miglioramento della riduzione delle dimensioni delle particelle: I dispersori a ultrasuoni sono in grado di ridurre efficacemente le dimensioni delle particelle fino alla gamma dei nanometri, cosa che non è possibile con molte altre tecnologie di miscelazione. Questo li rende ideali per le applicazioni in cui la dimensione fine delle particelle è fondamentale.
• Miscelazione più rapida: I dispersori a ultrasuoni sono in grado di miscelare e disperdere i materiali più velocemente di molte altre tecnologie, risparmiando tempo e aumentando la produttività.
• Nessuna contaminazione: I dispersori a ultrasuoni non richiedono l'uso di mezzi di macinazione come perline o perle, che contaminano la dispersione per abrasione.
• Migliore qualità del prodotto: I dispersori a ultrasuoni sono in grado di produrre miscele e sospensioni più uniformi, con conseguente miglioramento della qualità e della consistenza del prodotto. Soprattutto in modalità flow-through, l'impasto di dispersione passa nella zona di cavitazione a ultrasuoni in modo altamente controllato, garantendo un trattamento molto uniforme.
• Consumo energetico ridotto: I disperdenti a ultrasuoni richiedono in genere meno energia rispetto ad altre tecnologie, riducendo così i costi operativi.
• Versatilità: I dispersori a ultrasuoni possono essere utilizzati per un'ampia gamma di applicazioni, tra cui omogeneizzazione, emulsificazione, dispersione e deagglomerazione. Possono inoltre trattare una varietà di materiali, tra cui materiali abrasivi, fibre, liquidi corrosivi e persino gas.

Grazie a questi vantaggi di processo, all'affidabilità e alla semplicità di funzionamento, i dispersori a ultrasuoni superano le tecnologie di miscelazione alternative, diventando una scelta popolare per molte applicazioni industriali.

Dispersione e deagglomerazione a ultrasuoni in qualsiasi scala

Hielscher offre dispositivi a ultrasuoni per la dispersione e la deagglomerazione di qualsiasi volume per il trattamento in batch o in linea. I dispositivi a ultrasuoni da laboratorio sono utilizzati per volumi da 1,5mL a circa 2L. I dispositivi industriali a ultrasuoni sono utilizzati nello sviluppo e nella produzione di processi per lotti da 0,5 a circa 2000 litri o per portate da 0,1 litri a 20 m³ all'ora.

I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics sono in grado di fornire ampiezze molto elevate, disperdendo e macinando in modo affidabile particelle su scala nanometrica. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24 e 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

Vantaggi della dispersione a ultrasuoni: Facile da scalare

A differenza di altre tecnologie di dispersione, l'ultrasonicazione può essere scalata facilmente dalle dimensioni del laboratorio a quelle della produzione. I test di laboratorio consentono di selezionare con precisione le dimensioni dell'apparecchiatura necessaria. Quando si utilizza la scala finale, i risultati del processo sono identici a quelli del laboratorio.

Ultrasuonatori: Robusti e facili da pulire

L'energia ultrasonica viene trasmessa nel liquido attraverso un sonotrodo. Si tratta di una parte simmetrica tipicamente rotante, lavorata in titanio massiccio di qualità aeronautica. È anche l'unica parte bagnata in movimento o in vibrazione. È l'unica parte soggetta a usura e può essere facilmente sostituita in pochi minuti. Le flange di disaccoppiamento dell'oscillazione consentono di montare il sonotrodo in contenitori pressurizzabili aperti o chiusi o in celle a flusso con qualsiasi orientamento. Non sono necessari cuscinetti. Tutte le altre parti bagnate sono generalmente in acciaio inossidabile. I reattori a cella di flusso hanno geometrie semplici e possono essere facilmente smontati e puliti, ad esempio mediante lavaggio e pulizia. Non ci sono piccoli orifizi o angoli nascosti.

Pulitore ad Ultrasuoni in Loco

Gli ultrasuoni sono noti per le loro applicazioni di pulizia, come la pulizia delle superfici e dei pezzi. L'intensità degli ultrasuoni utilizzata per le applicazioni di dispersione è molto più elevata rispetto alla tipica pulizia a ultrasuoni. Per quanto riguarda la pulizia delle parti bagnate del dispositivo a ultrasuoni, la potenza degli ultrasuoni può essere utilizzata per assistere la pulizia durante il lavaggio e il risciacquo, in quanto la cavitazione ultrasonica/acustica rimuove le particelle e i residui liquidi dal sonotrodo e dalle pareti della cella di flusso.

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Letteratura / Riferimenti

• 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.