ულტრაბგერითი სველი დაფქვა: წვრილი ნაწილაკები, ზუსტად შექმნილი

Hielscher-ის სონიკატორები არის ეფექტური დასაფქვავი აპარატურა ნაწილაკების ზომის მაღალეფექტური შემცირებისთვის, ნანო-დისპერსიისა და ემულსიფიკაციისთვის კონტროლირებადი, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი კავიტაციის მეშვეობით. ეს სისტემები, რომლებიც შექმნილია როგორც სამეცნიერო-კვლევითი, ისე სამრეწველო მასშტაბისთვის, სანდოდ შლიან აგლომერატებს, აწვრილებენ ფხვნილებს და ქმნიან ჰომოგენურ სუსპენზიებს ფარმაცევტიკაში, კოსმეტიკაში, ნანომასალებსა და სპეციალურ ქიმიურ პროდუქტებში.

მსხვილი ფხვნილიდან ერთგვაროვანი მიკრო- და ნანონაწილაკებისკენ

Hielscher-ის ზონდური ტიპის სონიკატორები უზრუნველყოფენ მძლავრ, ზუსტად კონტროლირებად სველ დაფქვას და წვრილ დაფქვას – ბურთულების, ბურთების ან სხვა საფქვავი სხეულების გარეშე. მიიღეთ ჰომოგენური, მყარი ნაწილაკების მაღალი შემცველობის სუსპენზიები ნაწილაკების ზომის ვიწრო განაწილებით, ამავდროულად შეამცირეთ დამუშავების დრო და ენერგიის მოთხოვნა.
ამპლიტუდის ზუსტი კონტროლისა და აკუსტიკური ტალღების გავრცელების მოწინავე მეთოდების გამოყენებით, სონიკატორები აღწევენ ერთგვაროვან შედეგებს მინიმალური თერმული ზემოქმედებით, ინარჩუნებენ მგრძნობიარე ნაერთებს და მაქსიმალურად ზრდიან წარმადობასა და შედეგების განმეორებადობას. გაიგეთ, თუ როგორ შეუძლია ულტრაბგერით დაფქვას გაამარტივოს თქვენი ფორმულირების სამუშაო პროცესი და გააუმჯობესოს პროდუქტის ეფექტურობა.

ვინ უნდა იყენებდეს ულტრაბგერით სველ დაფქვას?

• მწარმოებლები, რომლებსაც სჭირდებათ ნაწილაკების ზომის კონტროლირებადი შემცირება მიკრონამდე ან ნანომეტრამდე
• პიგმენტების, მელნების, საღებავებისა და მაღალეფექტური საფარების მწარმოებლები
• კერამიკის, მინერალების, ცემენტისა და ლითონის ოქსიდების დამუშავებელი კომპანიები
• ფარმაცევტული და კოსმეტიკური ფორმულატორები, რომლებიც მუშაობენ წვრილი სუსპენზიების შექმნაზე
• ბატარეების, კატალიზატორებისა და მოწინავე მასალების მწარმოებლები
• კომპანიები, რომლებიც ამუშავებენ მაღალკონცენტრირებულ ან ბლანტ სუსპენზიებს
• ლაბორატორიები, რომლებიც მუშაობენ ნაწილაკების ზომის შემცირების მასშტაბირებად პროცესებზე
• მწარმოებლები, რომლებიც ეძებენ ნაწილაკების ზომის ვიწრო, ერთგვაროვან განაწილებას
• საწარმოები, რომლებსაც სურთ თავიდან აიცილონ დაბინძურება საფქვავი ბურთულებით ან ბურთებით
• მწარმოებლები, რომლებიც მიზნად ისახავენ დაფქვის დროის, ენერგიის ხარჯვისა და გასუფთავების მოთხოვნების შემცირებას

ნაწილაკების ზომის კონტროლირებადი შემცირება მძლავრი ულტრაბგერით

ნაწილაკების ზომის მიკრონულ ან ნანომეტრულ დიაპაზონამდე შემცირებას შეუძლია ფორმულაციის გარდაქმნა. უფრო წვრილ ნაწილაკებს შეუძლიათ გააუმჯობესონ რეაქტიულობა, სტაბილურობა, ზედაპირის ფართობი, ოპტიკური თვისებები და საბოლოო პროდუქტის ეფექტურობა. თუმცა ტრადიციულმა ბურთებიანმა, ბურთულებიანმა და სხვა საფქვავი სხეულების მქონე წისქვილებმა შეიძლება მასალა ცვეთის შედეგად წარმოქმნილი ნაწილაკებით დააბინძურონ, მოითხოვონ საფქვავი სხეულების შრომატევადი გამოყოფა და ვერ უზრუნველყონ თანაბარი დამუშავება მყარი ნაწილაკების მაღალი კონცენტრაციის პირობებში. ულტრაბგერითი სველი დაფქვა სუფთა, კონტროლირებადი ალტერნატივაა.
Hielscher-ის ზონდური ტიპის სონიკატორები პირდაპირ სითხეში ან სუსპენზიაში გადასცემენ მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერას. ცვალებადი წნევის ტალღები ქმნიან აკუსტიკურ კავიტაციას: მიკროსკოპული ბუშტუკები წარმოიქმნება და უკიდურესად ინტენსიურად კოლაფსირდება, რაც წარმოქმნის სითხის მაღალსიჩქარიან ჭავლებს, დარტყმით ტალღებსა და ძლიერ ძვრის ძალებს. ეს ძალები სუსპენზიაში არსებულ ნაწილაკებს ერთმანეთისკენ აჩქარებს. შედეგად მიღებული ნაწილაკთაშორისი შეჯახებები, ფრაგმენტაცია და ზედაპირული ეროზია ამცირებს აგლომერატებს – და, საკმარისად ინტენსიურ პირობებში, პირველად ნაწილაკებსაც – მიკრო- და ნანოზომამდე.
 

ულტრაბგერით დაფქვული ალუმინის ტრიჰიდრატი
AL(OH)3 მიწოდებული იყო Alcoa World Alumina LLC-ის მიერ, პიტსბურგი, პენსილვანია, აშშ. AL(OH)3 ასევე ცნობილია როგორც Aluminum Trihydroxide ATH Series, Bayer Hydrated Alumina, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, Hydragyllite ან Gibbsite. მას აქვს მოსის სიხისტე 2,5-დან 3,5-მდე.

ნაწილაკების ზომის ზუსტი, განმეორებადი და ერთგვაროვანი განაწილება

ულტრაბგერითი დაფქვა ფართო ფარგლებში რეგულირებადია. ოპერატორებს შეუძლიათ აკონტროლონ ამპლიტუდა, ენერგიის მიწოდება, წნევა, ტემპერატურა, დაყოვნების დრო და ნაკადის სიჩქარე, რათა პროცესი მასალასა და ნაწილაკების მიზნობრივ ზომას მოარგონ. ეს პროცესს ხდის შესაფერისს ყველაფრისთვის – მსუბუქი დეაგლომერაციიდან ინტენსიურ წვრილ დაფქვამდე. რეცირკულაციისა და ნაკადური კამერის ინლაინ კონფიგურაციები უზრუნველყოფს სუსპენზიის თანაბარ დამუშავებას კავიტაციის ზონაში, რაც ხელს უწყობს განმეორებადი შედეგებისა და ნაწილაკების ზომის ვიწრო, ჰომოგენური განაწილების მიღებას.
კონტროლის ეს დონე ღირებულია პიგმენტებისთვის, მელნებისთვის, საფარებისთვის, კერამიკისთვის, ლითონის ოქსიდებისთვის, მინერალებისთვის, კატალიზატორებისთვის, ფარმაცევტული პროდუქტებისა და სხვა მაღალტექნოლოგიური მასალებისთვის, სადაც ზედმეტად დიდმა ნაწილაკებმა ან ზომების ფართო განაწილებამ შეიძლება ხარისხი გააუარესოს. ლაბორატორიაში დადგენილი პროცესის პარამეტრები შეიძლება გადაიტანონ საცდელ და სამრეწველო წარმოებაში, რაც სისტემატური განვითარებისა და მასშტაბირების საშუალებას იძლევა.

მყარი ნაწილაკების მაღალი შემცველობის მასალების დამუშავება საფქვავი სხეულების გარეშე

რადგან ნაწილაკების ზომის შემცირება ხდება კავიტაციისა და თავად ნაწილაკებს შორის შეჯახებების ხარჯზე, საჭირო არ არის ბურთულები, მარცვლები ან საფქვავი ბურთები. საფქვავი სხეულების გამორიცხვა თავიდან იცილებს დაბინძურების პოტენციურ წყაროს და აღმოფხვრის მათი შეძენის, გაწმენდის, შეცვლისა და საბოლოო სუსპენზიიდან გამოყოფის საჭიროებას. სითხესთან შეხებაში მყოფი ნაწილების მარტივი გეომეტრია ასევე აადვილებს გაწმენდასა და სხვა პროდუქტის წარმოებაზე გადასვლას.
Hielscher-ის სონიკატორებს შეუძლიათ მაღალკონცენტრირებული და ბლანტი სუსპენზიების დამუშავება. მყარი ნაწილაკების მაღალი შემცველობა ნიშნავს ნაკლებ სითხეს დასამუშავებლად და, ბევრ შემთხვევაში, ნაკლებ შემდგომ კონცენტრირებას ან შრობას. მას ასევე შეუძლია გააძლიეროს ნაწილაკთაშორისი დაფქვის ეფექტი ნაწილაკების შეჯახებების სიხშირის გაზრდის ხარჯზე. ეს კომბინაცია ულტრაბგერით დაფქვას განსაკუთრებით მიმზიდველს ხდის კონცენტრირებული მასტერბატჩებისა და წარმოების მასშტაბის სუსპენზიებისთვის.
 

მიკროსკოპული გამოსახულებები, რომლებიც აჩვენებს ზეთის ფუძეზე დამზადებული მაგენტას პიგმენტების ულტრაბგერითი დაფქვის მიმდინარეობას

მაგალითები: ნანონაწილაკების სველი დაფქვა მძლავრი ულტრაბგერით

ულტრაბგერითი დაფქვა განსაკუთრებით შესაფერისია მიკრონული და ნანოზომის მასალების, როგორიცაა კერამიკა, ალუმინის ტრიჰიდრატი, ბარიუმის სულფატი, კალციუმის კარბონატი და ლითონის ოქსიდები, დასამუშავებლად. ქვემოთ მოცემული ცხრილები აჩვენებს ალუმინის ტრიჰიდრატის (150 მიკრონიდან 10 მიკრონამდე), კერამიკის (30 მიკრონიდან 2 მიკრონამდე) და ნატრიუმის კარბონატის (70 მიკრონიდან 3 მიკრონამდე) დაფქვის მიკროსკოპულ გამოსახულებებს. ამ გვერდზე მოცემული მიკროსკოპული გამოსახულებები აჩვენებს ულტრაბგერითი დაფქვის მიმდინარეობას სტომატოლოგიური კერამიკის, მაგენტას პიგმენტების, ნატრიუმის კარბონატისა და ჰიდრატირებული ალუმინის ოქსიდის მაგალითებზე.
 

მიკროსკოპული გამოსახულებები, რომლებიც აჩვენებს ნატრიუმის კარბონატის (Na2CO3) ულტრაბგერითი დაფქვის მიმდინარეობას იზოპროპანოლში.

მეტი წარმადობა დამუშავების ყოველ ეტაპზე

ულტრაბგერითი ენერგია პირდაპირ სუსპენზიას გადაეცემა, სადაც ხდება ნაწილაკების ზომის შემცირება. სწრაფად მოქმედ კავიტაციურ ძალებს შეუძლიათ შეამცირონ დაფქვის ციკლები, ხოლო ელექტროენერგიის მექანიკურ მოძრაობად ეფექტურმა გარდაქმნამ შეიძლება შეამციროს ენერგიის მოთხოვნა ტრადიციულ დასაფქვავ აპარატურასთან შედარებით. უწყვეტი ინლაინ დამუშავება დამატებით უწყობს ხელს მაღალ წარმადობას, მუდმივ ხარისხსა და არსებულ საწარმოო ხაზებში ინტეგრაციას.
მწარმოებლებისთვის, რომლებიც ეძებენ უფრო მცირე ნაწილაკებს, ზომების უფრო ვიწრო განაწილებას, უფრო სუფთა დამუშავებასა და ეფექტურ მასშტაბირებას, Hielscher-ის ზონდური ტიპის სონიკატორები სველ დაფქვას აქცევენ ზუსტად დაპროექტებულ პროცესად – ლაბორატორიული ცდებიდან უწყვეტ სამრეწველო წარმოებამდე.

უწყვეტი მუშაობა მაღალი წარმადობისთვის

ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დამონტაჟება და გამოყენება ძალიან მარტივია. დასაფქვავ მასალასთან კონტაქტში მხოლოდ ორი ნაწილია: ტიტანის სონოტროდი და უჟანგავი ფოლადის ნაკადური კამერა. ულტრაბგერითი ნაკადური კამერის მარტივი კონსტრუქციის გამო მოწყობილობები სწრაფად იწმინდება. რადგან Hielscher-ის ულტრაბგერითი მოწყობილობები ელექტროენერგიას მექანიკურ ენერგიად ძალიან მაღალი ეფექტურობით გარდაქმნის, ულტრაბგერით დაფქვას, როგორც წესი, ნაკლები სიმძლავრე სჭირდება, ვიდრე ტრადიციულ დასაფქვავ აპარატურას.

სამრეწველო სონიკატორი UIP6000hdT (6kW) პიგმენტების დისპერსიისა და წყალზე დაფუძნებული საღებავებისა და საფარების ფორმულაციების მიკრობული სტერილიზაციისთვის ერთდროულად ნაწილაკების დაფქვის ეფექტი ინტენსიურ ულტრაბგერით კავიტაციაზეა დაფუძნებული. როდესაც სითხეები მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერით მუშავდება, თხევად გარემოში გავრცელებული ბგერითი ტალღები იწვევს მაღალი წნევის (კუმშვის) და დაბალი წნევის (გაიშვიათების) მონაცვლე ციკლებს, რომელთა მონაცვლეობის სიჩქარე სიხშირეზეა დამოკიდებული. დაბალი წნევის ციკლის დროს მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები სითხეში ქმნის მცირე ვაკუუმურ ბუშტუკებს ან ღრუებს. როდესაც ბუშტუკები აღწევს ისეთ მოცულობას, რომლის დროსაც ენერგიას ვეღარ შთანთქავს, მაღალი წნევის ციკლის დროს ისინი ძლიერად კოლაფსირდება. ამ მოვლენას კავიტაცია ეწოდება.
კავიტაციული ბუშტუკების იმპლოზია იწვევს მიკროტურბულენტობას და მიკროჭავლებს, რომელთა სიჩქარე 1000km/hr-მდე აღწევს. დიდი ნაწილაკები განიცდის ზედაპირულ ეროზიას (გარემომცველ სითხეში კავიტაციული ბუშტუკების კოლაფსის შედეგად) ან ზომაში მცირდება (ნაწილაკებს შორის შეჯახებით ან მათ ზედაპირზე წარმოქმნილი კავიტაციული ბუშტუკების კოლაფსით გამოწვეული გახლეჩის შედეგად). კრისტალიტების ზომისა და სტრუქტურის ცვლილება იწვევს დიფუზიის, მასაგადატანის პროცესებისა და მყარ ფაზაში მიმდინარე რეაქციების მკვეთრ აჩქარებას.

ულტრაბგერითი პროცესორები და ნაკადის კამერები ფხვნილების დისპერგირებისა და სველი დაფქვისთვის ხელმისაწვდომია ლაბორატორიული და საწარმოო მასშტაბებისთვის. სამრეწველო სისტემები მარტივად შეიძლება გადაკეთდეს ინლაინ რეჟიმში მუშაობისთვის. ამ პროცესის კვლევისა და გამოცდისთვის, ასევე მრავალი სონოქიმიური პროცესისთვის, გირჩევთ ჩვენს ლაბორატორიულ მოწყობილობებს ან UIP1000hd-ს.

ნანოალმასები შეიძლება ეფექტურად და საიმედოდ დისპერგირდეს Hielscher-ის ულტრაბგერითი სონიკატორების გამოყენებით.

ლიტერატურა / რეფერენსები

• Almir Draganović, Antranik Karamanoukian, Peter Ulriksen, Stefan Larsson (2020): Dispersion of microfine cement grout with ultrasound and conventional laboratory dissolvers. Construction and Building Materials, Volume 251, 2020.
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.

UIP1000hd

• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Bhagawat, L.I., Patil, V.S., Kale, B.B., Sonawane, S.H., Bhanvase, B.A., Pinjari, D.V. and Ashokkumar, M. (2016): Sonoprocessing of LiFePO4 nanoparticles and nanocomposites for cathode material in lithium ion batteries. Polymer Composites 37, 2026. 1874-1880.
• Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.