Dispersione e deagglomerazione a ultrasuoni

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

La miscelazione di polveri nei liquidi è una fase comune nella formulazione di vari prodotti, quali pitture, inchiostri, cosmetici, bevande, idrogel o mezzi di lucidatura. Le singole particelle sono tenute insieme da forze di attrazione di diversa natura fisica e chimica, tra cui le forze di van der Waals e la tensione superficiale del liquido. Questo effetto è più forte nei liquidi a viscosità più elevata, come polimeri o resine. Le forze di attrazione devono essere superate per deagglomerare e disperdere le particelle nei mezzi liquidi. Leggete di seguito perché gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono apparecchiature di dispersione superiori per disperdere particelle di dimensioni submicrometriche e nanometriche in laboratorio e nell’industria.

Dispersione di solidi nei liquidi mediante ultrasuoni

Il principio di funzionamento degli omogeneizzatori a ultrasuoni si basa sul fenomeno della cavitazione acustica. È noto che la cavitazione acustica genera intense forze fisiche, comprese forze di taglio molto elevate. L’applicazione di sollecitazioni meccaniche disgrega gli agglomerati di particelle. Inoltre, il liquido viene spinto tra le particelle.
Per la dispersione di polveri nei liquidi sono disponibili in commercio varie tecnologie, quali omogeneizzatori ad alta pressione, mulini a sfere agitati, mulini a getti contrapposti e miscelatori rotore-statore. Tuttavia, i dispersori a ultrasuoni presentano vantaggi significativi. Leggete di seguito come funziona la dispersione a ultrasuoni e quali sono i suoi vantaggi.

 

Il video mostra la dispersione a ultrasuoni di un colorante rosso mediante UP400St con una sonda S24d 22mm.

 

Il principio di funzionamento della cavitazione e della dispersione a ultrasuoni

Durante la sonicazione, le onde sonore ad alta frequenza creano zone alternate di compressione e rarefazione nel mezzo liquido. Attraversando il mezzo, le onde sonore 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 ridurre le particelle più grandi e gli agglomerati in particelle più piccole. Nei processi di dispersione a ultrasuoni, le particelle stesse presenti nella dispersione fungono da corpi macinanti. 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 sia la separazione e la pulizia dei corpi macinanti, che richiedono molto tempo e lavoro, sia la contaminazione.
Questo rende la sonicazione così efficace nella dispersione e nella deagglomerazione delle particelle, anche di quelle difficili da disgregare con altri metodi. Ne risulta una distribuzione più uniforme delle particelle, che migliora la qualità e le prestazioni del prodotto.
Inoltre, la sonicazione consente di trattare, disperdere e sintetizzare facilmente nanomateriali quali nanosfere, nanocristalli, nanofogli, nanofibre, nanofili, particelle core-shell e altre strutture complesse.
La sonicazione può inoltre essere eseguita in un tempo relativamente breve, il che rappresenta un vantaggio importante rispetto ad altre tecniche di dispersione.

Vantaggi dei dispersori a ultrasuoni rispetto alle tecnologie di miscelazione alternative

I dispersori a ultrasuoni offrono diversi vantaggi rispetto alle tecnologie di miscelazione alternative, quali gli omogeneizzatori ad alta pressione, la macinazione con mulini a sfere o la miscelazione rotore-statore. Tra i vantaggi più rilevanti figurano:

• Migliore riduzione delle dimensioni delle particelle: I dispersori a ultrasuoni possono ridurre efficacemente le dimensioni delle particelle fino alla scala nanometrica, cosa che non è possibile con molte altre tecnologie di miscelazione. Questo li rende ideali per le applicazioni in cui una granulometria fine è fondamentale.
• Miscelazione più rapida: I dispersori a ultrasuoni possono miscelare e disperdere i materiali più rapidamente di molte altre tecnologie, risparmiando tempo e aumentando la produttività.
• Assenza di contaminazione: I dispersori a ultrasuoni non richiedono l’uso di corpi macinanti, quali sfere o perle, che contaminano la dispersione per abrasione.
• Migliore qualità del prodotto: I dispersori a ultrasuoni possono produrre miscele e sospensioni più uniformi, migliorando la qualità e la costanza delle caratteristiche del prodotto. Soprattutto nella modalità a flusso continuo, la sospensione da disperdere attraversa la zona di cavitazione ultrasonica in modo altamente controllato, garantendo un trattamento molto uniforme.
• Minore consumo energetico: I dispersori a ultrasuoni richiedono generalmente 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 diversi materiali, tra cui materiali abrasivi, fibre, liquidi corrosivi e persino gas.

Grazie a questi vantaggi di processo, nonché all’affidabilità e alla semplicità d’uso, i dispersori a ultrasuoni superano le tecnologie di miscelazione alternative, risultando una scelta diffusa per molte applicazioni industriali.

Dispersione e deagglomerazione a ultrasuoni su qualsiasi scala

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

I processori a ultrasuoni industriali di Hielscher Ultrasonics possono erogare ampiezze molto elevate, disperdendo e macinando così le particelle fino alla scala nanometrica in modo affidabile. È possibile mantenere facilmente ampiezze fino a 200µm in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Dispersione a ultrasuoni di nanotubi di carbonio: il sonicatore Hielscher UP400S (400W) disperde e districa i CNT in modo rapido ed efficiente, separandoli in singoli nanotubi.

Vantaggi della dispersione a ultrasuoni: facile passaggio a una scala maggiore

A differenza di altre tecnologie di dispersione, la sonicazione può essere facilmente trasferita dalla scala di laboratorio alla scala produttiva. Le prove di laboratorio consentono di scegliere con precisione le dimensioni dell’apparecchiatura necessaria. Quando il processo viene eseguito sulla scala finale, i risultati sono identici a quelli ottenuti in laboratorio.

Sonicatori: robusti e facili da pulire

La potenza ultrasonica viene trasmessa al liquido tramite un sonotrodo. Si tratta generalmente di un componente a simmetria di rotazione, ricavato per lavorazione meccanica da titanio massiccio di qualità aeronautica. È anche l’unico componente a contatto con il liquido che si muove / vibra. È l’unico componente soggetto a usura e può essere facilmente sostituito in pochi minuti. Le flange di disaccoppiamento delle oscillazioni consentono di montare il sonotrodo in qualsiasi orientamento in recipienti aperti o chiusi pressurizzabili oppure in celle di flusso. Non sono necessari cuscinetti. Tutti gli altri componenti a contatto con il liquido sono generalmente realizzati in acciaio inossidabile. I reattori a cella di flusso hanno geometrie semplici e possono essere facilmente smontati e puliti, ad esempio mediante lavaggio con flusso di liquido e pulizia con un panno. Non vi sono piccoli orifizi o angoli nascosti.

Pulizia a ultrasuoni in situ

Gli ultrasuoni sono ben noti per le loro applicazioni di pulizia, come la pulizia di superfici e componenti. L’intensità ultrasonica utilizzata nelle applicazioni di dispersione è molto più elevata rispetto a quella impiegata nella normale pulizia a ultrasuoni. Per la pulizia dei componenti del dispositivo a ultrasuoni a contatto con il liquido, la potenza ultrasonica può agevolare la pulizia durante il lavaggio con flusso di liquido e il risciacquo, poiché la cavitazione ultrasonica / acustica rimuove particelle e 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.