Ultraskaņas izkliedēšana un deagglomerācija

Cieto vielu izkliedēšana un deagglomerācija šķidrumos ir svarīgs jaudas ultraskaņas un zondes tipa ultraskaņas pielietojums. Ultraskaņas kavitācija rada ārkārtīgi augstu bīdes, kas sadala daļiņu aglomerātus atsevišķās izkliedētās daļiņās. Pateicoties vietēji fokusētajiem augstajiem bīdes spēkiem, ultraskaņas apstrāde ir ideāla, lai radītu mircon un nano izmēra dispersijas eksperimentiem, pētniecībai un attīstībai, un, protams, rūpnieciskai ražošanai.

Pulveru sajaukšana šķidrumos ir izplatīts solis dažādu produktu, piemēram, krāsu, tintes, kosmētikas, dzērienu, hidrogēlu vai pulēšanas līdzekļu, formulēšanā. Atsevišķās daļiņas kopā satur dažāda fizikāla un ķīmiska rakstura pievilkšanas spēki, tostarp van der Vālsa spēki un šķidruma virsmas spraigums. Šis efekts ir spēcīgāks augstākas viskozitātes šķidrumiem, piemēram, polimēriem vai sveķiem. Piesaistes spēki ir jāpārvar, lai deaglomerētu un izkliedētu daļiņas šķidrā vidē. Lasiet tālāk, kāpēc ultraskaņas homogenizatori ir augstākā izkliedēšanas iekārta submikronu un nano izmēra daļiņu dispersijai laboratorijā un rūpniecībā.

Cietvielu ultraskaņas izkliedēšana šķidrumos

Ultraskaņas homogenizatoru darba princips ir balstīts uz akustiskās kavitācijas fenomenu. Ir zināms, ka akustiskā kavitācija rada intensīvus fiziskus spēkus, tostarp ļoti spēcīgus bīdes spēkus. Mehāniskā sprieguma pielietošana izjauc daļiņu aglomerātus. Arī šķidrums tiek saspiests starp daļiņām.
Lai gan pulveru izkliedēšanai šķidrumos ir pieejamas dažādas tehnoloģijas, piemēram, augstspiediena homogenizatori, maisītāju lodīšu dzirnavas, impinga strūklas dzirnavas un rotora-statora maisītājs. Tomēr ultraskaņas izkliedētājiem ir ievērojamas priekšrocības. Lasiet tālāk, kā darbojas ultraskaņas dispersija un kādas ir ultraskaņas dispersijas priekšrocības.

 

 

Ultraskaņas kavitācijas un dispersijas darba princips

Ultraskaņas apstrādes laikā augstfrekvences skaņas viļņi rada mainīgas saspiešanas un retināšanas zonas šķidrā vidē. Kad skaņas viļņi iet cauri videi, tie rada burbuļus, kas strauji izplešas un pēc tam vardarbīgi sabrūk. Šo procesu sauc par akustisko kavitāciju. Burbuļu sabrukums rada augstspiediena trieciena viļņus, mikrotīklus un bīdes spēkus, kas var sadalīt lielākas daļiņas un aglomerātus mazākās daļiņās. Ultraskaņas dispersijas procesos pašas daļiņas dispersijas funkcionē kā frēzēšanas līdzeklis. Paātrinot ultraskaņas kavitācijas bīdes spēkus, daļiņas saduras viena ar otru un sagrauj sīkos fragmentos. Tā kā ultrasoniski apstrādātajai dispersijai netiek pievienotas lodītes vai pērles, pilnībā tiek novērsta laikietilpīga un darbietilpīga malšanas līdzekļu atdalīšana un tīrīšana, kā arī piesārņojums.
Tas padara ultraskaņu tik efektīvu, lai izkliedētu un deagglomerētu daļiņas, pat tās, kuras ir grūti sadalīt ar citām metodēm. Tas nodrošina vienmērīgāku daļiņu sadalījumu, kā rezultātā uzlabojas produktu kvalitāte un veiktspēja.
Turklāt ultraskaņas apstrāde var viegli apstrādāt, izkliedēt un sintezēt nanomateriālus, piemēram, nanosfēras, nanokristālus, nanolapas, nanošķiedras, nanoviļņus, kodola apvalka daļiņas un citas sarežģītas struktūras.
Turklāt ultraskaņu var veikt salīdzinoši īsā laika posmā, kas ir liela priekšrocība salīdzinājumā ar citām dispersijas metodēm.

Ultraskaņas izkliedētāju priekšrocības salīdzinājumā ar alternatīvām sajaukšanas tehnoloģijām

Ultraskaņas izkliedētāji piedāvā vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar alternatīvām sajaukšanas tehnoloģijām, piemēram, augstspiediena homogenizatoriem, lodīšu frēzēšanu vai rotora statora sajaukšanu. Dažas no ievērojamākajām priekšrocībām ir:

• Uzlabota daļiņu izmēra samazināšana: Ultraskaņas izkliedētāji var efektīvi samazināt daļiņu izmērus līdz nanometra diapazonam, kas nav iespējams ar daudzām citām sajaukšanas tehnoloģijām. Tas padara tos ideāli piemērotus lietojumiem, kur smalks daļiņu izmērs ir kritisks.
• Ātrāka sajaukšana: Ultraskaņas izkliedētāji var sajaukt un izkliedēt materiālus ātrāk nekā daudzas citas tehnoloģijas, kas ietaupa laiku un palielina produktivitāti.
• Nav piesārņojuma: Ultraskaņas izkliedētājiem nav nepieciešams izmantot frēzēšanas līdzekli kā lodītes vai pērles, kas piesārņo dispersiju ar nodilumu.
• Labāka produktu kvalitāte: Ultraskaņas disperģētāji var radīt vienveidīgākus maisījumus un suspensijas, kā rezultātā uzlabojas produkta kvalitāte un konsistence. Īpaši caurplūdes režīmā dispersijas virca šķērso ultraskaņas kavitācijas zonu ļoti kontrolētā veidā, nodrošinot ļoti vienmērīgu apstrādi.
• Zemāks enerģijas patēriņš: Ultraskaņas izkliedētāji parasti prasa mazāk enerģijas nekā citas tehnoloģijas, kas samazina ekspluatācijas izmaksas.
• Daudzpusība: Ultraskaņas izkliedētājus var izmantot plašam lietojumu klāstam, ieskaitot homogenizāciju, emulgāciju, dispersiju un deagglomerāciju. Viņi var arī apstrādāt dažādus materiālus, tostarp abrazīvus materiālus, šķiedras, kodīgus šķidrumus un pat gāzes.

Sakarā ar šīm procesa priekšrocībām, kā arī uzticamību un vienkāršu darbību, ultraskaņas izkliedētāji pārspēj alternatīvas sajaukšanas tehnoloģijas, padarot tās par populāru izvēli daudziem rūpnieciskiem lietojumiem.

Ultraskaņas izkliedēšana un deagglomerācija jebkurā mērogā

Hielscher piedāvā ultraskaņas ierīces jebkura tilpuma izkliedēšanai un deagglomerācijai partijas vai inline apstrādei. Ultraskaņas laboratorijas ierīces tiek izmantotas tilpumiem no 1,5 ml līdz aptuveni 2L. Rūpnieciskās ultraskaņas ierīces tiek izmantotas procesu izstrādē un ražošanā partijām no 0,5 līdz aptuveni 2000L vai plūsmas ātrumiem no 0,1L līdz 20m³ stundā.

Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori var nodrošināt ļoti augstas amplitūdas, tādējādi droši izkliedējot un frēzējot daļiņas līdz nano mērogam. Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti darbināt 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes.

Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:

Ultraskaņas dispersijas priekšrocības: viegli mērogojams

Atšķirībā no citām izkliedējošām tehnoloģijām, ultrasonication var viegli palielināt no laboratorijas līdz ražošanas lielumam. Laboratorijas testi ļaus precīzi izvēlēties nepieciešamo aprīkojuma izmēru. Ja to izmanto galīgajā mērogā, procesa rezultāti ir identiski laboratorijas rezultātiem.

Ultrasonikatori: izturīgs un viegli tīrāms

Ultraskaņas jauda tiek pārraidīta šķidrumā, izmantojot sonotrode. Šī ir parasti rotējoša simetriska daļa, kas ir apstrādāta no cieta gaisa kuģa kvalitātes titāna. Šī ir arī vienīgā kustīgā / vibrējošā samitrinātā daļa. Tā ir vienīgā daļa, kas ir pakļauta nodilumam, un to var viegli nomainīt dažu minūšu laikā. Svārstību atdalīšanas atloki ļauj uzstādīt sonotrodu atvērtos vai slēgtos spiedienos vai plūsmas šūnās jebkurā orientācijā. Nav nepieciešami gultņi. Visas pārējās samitrinātās detaļas parasti ir izgatavotas no nerūsējošā tērauda. Plūsmas šūnu reaktoriem ir vienkāršas ģeometrijas, un tos var viegli izjaukt un notīrīt, piemēram, skalojot un noslaukot. Nav mazu atveru vai slēptu stūru.

Ultraskaņas tīrītājs vietā

Ultraskaņa ir labi pazīstama ar tās tīrīšanas lietojumiem, piemēram, virsmas, detaļu tīrīšanu. Ultraskaņas intensitāte, ko izmanto lietojumprogrammu izkliedēšanai, ir daudz augstāka nekā tipiskai ultraskaņas tīrīšanai. Kad runa ir par ultraskaņas ierīces samitrināto daļu tīrīšanu, ultraskaņas jaudu var izmantot, lai palīdzētu tīrīt skalošanas un skalošanas laikā, jo ultraskaņas / akustiskā kavitācija noņem daļiņas un šķidruma atlikumus no sonotroda un no plūsmas šūnu sienām.

---

---

Literatūra / Atsauces

• 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.