초음파 분산 및 해응집

고체를 액체에 분산시키고 해응집하는 것은 고출력 초음파와 프로브형 초음파 처리기의 중요한 응용 분야입니다. 초음파 캐비테이션은 매우 높은 전단을 발생시켜 입자 응집체를 개별적으로 분산된 입자로 분해합니다. 국소적으로 집중되는 높은 전단력 덕분에 초음파 처리는 실험, 연구 개발은 물론 산업 생산을 위한 마이크로미터 및 나노 크기의 분산액 제조에 이상적입니다.

분말을 액체에 혼합하는 것은 페인트, 잉크, 화장품, 음료, 하이드로겔 또는 연마 매체와 같은 다양한 제품의 배합에서 흔히 수행하는 단계입니다. 개별 입자는 반데르발스 힘과 액체의 표면 장력을 비롯한 다양한 물리적·화학적 인력에 의해 서로 결합되어 있습니다. 이러한 효과는 고분자나 수지처럼 점도가 높은 액체에서 더 강하게 나타납니다. 입자를 해응집하고 액체 매체에 분산시키려면 이러한 인력을 극복해야 합니다. 실험실과 산업 현장에서 서브마이크로미터 및 나노 크기의 입자를 분산시키는 데 초음파 균질기가 탁월한 분산 장비인 이유를 아래에서 확인해 보십시오.

고체를 액체에 분산시키는 초음파 분산

초음파 균질기의 작동 원리는 음향 캐비테이션 현상에 기반합니다. 음향 캐비테이션은 매우 강한 전단력을 비롯한 강력한 물리적 힘을 발생시키는 것으로 알려져 있습니다. 기계적 응력이 가해지면 입자 응집체가 분해됩니다. 또한 액체가 입자 사이로 밀려 들어갑니다.
분말을 액체에 분산시키는 데는 고압 균질기, 교반 비드 밀, 충돌 제트 밀, 로터–스테이터 믹서 등 다양한 기술이 상용화되어 있습니다. 그러나 초음파 분산기는 상당한 장점을 갖고 있습니다. 초음파 분산의 작동 방식과 장점을 아래에서 확인해 보십시오.

초음파 캐비테이션과 분산의 작동 원리

초음파 처리 중에는 고주파 음파가 액체 매체에 압축 영역과 희박 영역을 번갈아 형성합니다. 음파는 매체를 통과하면서 빠르게 팽창한 뒤 격렬하게 붕괴하는 기포를 생성합니다. 이 과정을 음향 캐비테이션이라고 합니다. 기포의 붕괴는 고압 충격파, 마이크로제트 및 전단력을 발생시키며, 이러한 힘은 큰 입자와 응집체를 더 작은 입자로 분해할 수 있습니다. 초음파 분산 공정에서는 분산액 내의 입자 자체가 분쇄 매체로 작용합니다. 초음파 캐비테이션의 전단력에 의해 가속된 입자들은 서로 충돌하여 미세한 조각으로 부서집니다. 초음파로 처리하는 분산액에는 비드나 펄을 첨가하지 않으므로, 시간과 노동력이 많이 드는 분쇄 매체의 분리 및 세척 작업과 오염을 완전히 피할 수 있습니다.
이로 인해 초음파 처리는 다른 방법으로는 분해하기 어려운 입자까지도 매우 효과적으로 분산시키고 해응집합니다. 그 결과 입자가 더욱 균일하게 분포하여 제품의 품질과 성능이 향상됩니다.
또한 초음파 처리는 나노구, 나노결정, 나노시트, 나노섬유, 나노와이어, 코어–셸 입자 및 기타 복잡한 구조와 같은 나노물질을 쉽게 다루고 분산시키며 합성할 수 있습니다.
아울러 초음파 처리는 비교적 짧은 시간 내에 수행할 수 있으며, 이는 다른 분산 기술에 비해 큰 장점입니다.

다른 혼합 기술에 비해 초음파 분산기가 갖는 장점

초음파 분산기는 고압 균질기, 비드 밀링 또는 로터–스테이터 혼합과 같은 다른 혼합 기술에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다. 가장 두드러진 장점은 다음과 같습니다.

• 입자 미세화 성능 향상: 초음파 분산기는 다른 많은 혼합 기술로는 불가능한 나노미터 범위까지 입자 크기를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 따라서 미세한 입자 크기가 중요한 응용 분야에 이상적입니다.
• 더 빠른 혼합: 초음파 분산기는 다른 많은 기술보다 재료를 더 빠르게 혼합하고 분산할 수 있어 시간을 절약하고 생산성을 높입니다.
• 오염 없음: 초음파 분산기는 마모로 인해 분산물을 오염시키는 비드나 구슬 같은 분쇄 매체를 사용할 필요가 없습니다.
• 더 나은 제품 품질: 초음파 분산기는 더 균일한 혼합물과 현탁액을 생산할 수 있어 제품 품질과 일관성을 향상시킵니다. 특히 유동 통과 모드에서는 분산 슬러리가 고도로 제어된 방식으로 초음파 캐비테이션 영역을 통과하여 매우 균일한 처리가 보장됩니다.
• 더 낮은 에너지 소비: 초음파 분산기는 일반적으로 다른 기술보다 에너지가 적게 필요하므로 운영 비용을 줄입니다.
• 다용도성: 초음파 분산기는 균질화, 유화, 분산 및 해응집을 비롯한 광범위한 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 또한 연마성 재료, 섬유, 부식성 액체는 물론 기체까지 다양한 물질을 처리할 수 있습니다.

이러한 공정상의 이점과 신뢰성, 간편한 조작 덕분에 초음파 분산기는 다른 혼합 기술보다 뛰어난 성능을 발휘하며, 많은 산업 응용 분야에서 널리 선택되고 있습니다.

물속 흄드 실리카의 초음파 분산: 초음파 처리 전 응집된 실리카의 입자 크기는 200 마이크로미터(D50)를 초과합니다. 흄드 실리카를 초음파로 분산한 후에는 대부분의 입자가 200 나노미터 미만으로 줄어들었습니다.

모든 규모의 초음파 분산 및 해응집

Hielscher는 배치 또는 인라인 처리에서 모든 부피의 분산 및 해응집을 위한 초음파 장치를 제공합니다. 실험실용 초음파 장치는 1.5mL부터 약 2L까지의 부피에 사용됩니다. 산업용 초음파 장치는 0.5부터 약 2000L까지의 배치 또는 시간당 0.1L부터 20m³까지의 유량으로 공정 개발 및 생산에 사용됩니다.

Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공하여 입자를 나노 규모로 안정적으로 분산하고 분쇄할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 손쉽게 24/7 연속 운전이 가능합니다. 더 높은 진폭을 위한 맞춤형 초음파 소노트로드도 제공됩니다.

초음파 분산의 장점: 손쉬운 규모 확대

다른 분산 기술과 달리 초음파 처리는 실험실 규모에서 생산 규모로 쉽게 확대할 수 있습니다. 실험실 시험을 통해 필요한 장비의 규모를 정확하게 선택할 수 있습니다. 최종 규모에서 사용할 때 공정 결과는 실험실 결과와 동일합니다.

초음파 처리기: 견고하고 세척이 용이함

초음파 출력은 소노트로드를 통해 액체에 전달됩니다. 소노트로드는 일반적으로 회전 대칭 형상의 부품으로, 항공기용 등급의 티타늄 통소재를 기계 가공하여 제작합니다. 또한 액체와 접촉하는 부품 중 움직이거나 진동하는 유일한 부품입니다. 마모되는 유일한 부품이며 몇 분 안에 쉽게 교체할 수 있습니다. 진동 절연 플랜지를 사용하면 개방형 용기나 가압 가능한 밀폐형 용기 또는 플로우 셀에 소노트로드를 어떤 방향으로든 장착할 수 있습니다. 베어링은 필요하지 않습니다. 액체와 접촉하는 다른 모든 부품은 일반적으로 스테인리스강으로 제작됩니다. 플로우 셀 반응기는 형상이 단순하여 쉽게 분해하고 세척할 수 있으며, 예를 들어 세척액을 흘려보내고 내부를 닦아낼 수 있습니다. 작은 구멍이나 숨겨진 모서리가 없습니다.

초음파 제자리 세척

초음파는 표면 세척, 부품 세척 등의 세척 용도로 잘 알려져 있습니다. 분산 용도에 사용되는 초음파 강도는 일반적인 초음파 세척에 사용되는 강도보다 훨씬 높습니다. 초음파 장치에서 액체와 접촉하는 부품을 세척할 때는 초음파 / 음향 캐비테이션이 소노트로드와 플로우 셀 벽에서 입자와 잔류 액체를 제거하므로, 세척액을 흘려보내고 헹구는 동안 초음파 출력을 활용하여 세척을 도울 수 있습니다.

문헌 / 참고 자료

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