Disperģēšana un deaglomerācija ar ultraskaņu

Cietvielu disperģēšana un deaglomerācija šķidrumos ir svarīgs jaudas ultraskaņas un zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīču lietojums. Ultraskaņas kavitācija rada ārkārtīgi intensīvu bīdi, kas sadala daļiņu aglomerātus atsevišķās disperģētās daļiņās. Lokāli koncentrēto lielo bīdes spēku dēļ apstrāde ar ultraskaņu ir ideāli piemērota mikrometru un nanometru izmēra daļiņu dispersiju iegūšanai eksperimentiem, pētniecībai un izstrādei, kā arī, protams, rūpnieciskajai ražošanai.

Pulveru iemaisīšana šķidrumos ir izplatīts posms dažādu produktu, piemēram, krāsu, tinšu, kosmētikas, dzērienu, hidrogēlu vai pulēšanas līdzekļu, izgatavošanā. Atsevišķās daļiņas kopā satur dažādas fizikālas un ķīmiskas dabas pievilkšanās spēki, tostarp van der Vālsa spēki un šķidruma virsmas spraigums. Šī iedarbība ir spēcīgāka šķidrumos ar lielāku viskozitāti, piemēram, polimēros vai sveķos. Lai deaglomerētu un disperģētu daļiņas šķidrā vidē, šie pievilkšanās spēki ir jāpārvar. Tālāk lasiet, kāpēc ultraskaņas homogenizatori ir pārāks disperģēšanas aprīkojums submikrometru un nanometru izmēra daļiņu disperģēšanai laboratorijā un rūpniecībā.

Cietvielu disperģēšana šķidrumos ar ultraskaņu

Ultraskaņas homogenizatoru darbības princips ir balstīts uz akustiskās kavitācijas parādību. Ir zināms, ka akustiskā kavitācija rada intensīvus fizikālus spēkus, tostarp ļoti lielus bīdes spēkus. Mehāniskā sprieguma iedarbība sašķeļ daļiņu aglomerātus. Turklāt starp daļiņām tiek iespiests šķidrums.
Pulveru disperģēšanai šķidrumos ir komerciāli pieejamas dažādas tehnoloģijas, piemēram, augstspiediena homogenizatori, lodīšu dzirnavas ar maisītāju, sadursmes strūklu dzirnavas un rotora–statora maisītāji. Tomēr ultraskaņas dispergatoriem ir būtiskas priekšrocības. Tālāk lasiet, kā darbojas disperģēšana ar ultraskaņu un kādas ir tās priekšrocības.

 

Video demonstrēta sarkanās krāsvielas disperģēšana ar ultraskaņu, izmantojot UP400St ar S24d 22mm zondi.

 

Ultraskaņas kavitācijas un disperģēšanas darbības princips

Apstrādes laikā augstfrekvences skaņas viļņi šķidrā vidē rada pārmaiņus saspiešanas un retinājuma zonas. Skaņas viļņiem izplatoties vidē, tie rada burbuļus, kas strauji izplešas un pēc tam spēji saplok. Šo procesu sauc par akustisko kavitāciju. Burbuļu saplakšana rada augstspiediena triecienviļņus, mikrostrūklas un bīdes spēkus, kas var sadalīt lielākas daļiņas un aglomerātus mazākās daļiņās. Ultraskaņas disperģēšanas procesos pašas dispersijā esošās daļiņas darbojas kā malšanas ķermeņi. Ultraskaņas kavitācijas bīdes spēku paātrinātas, daļiņas saduras cita ar citu un sašķīst sīkos fragmentos. Tā kā ar ultraskaņu apstrādātajai dispersijai netiek pievienotas lodītes vai pērlītes, tiek pilnībā novērsta laikietilpīgā un darbietilpīgā malšanas ķermeņu atdalīšana un tīrīšana, kā arī piesārņojums.
Tas padara apstrādi ar ultraskaņu tik efektīvu daļiņu disperģēšanā un deaglomerācijā, pat ja tās ir grūti sadalīt ar citām metodēm. Rezultātā daļiņas tiek sadalītas vienmērīgāk, uzlabojot produkta kvalitāti un veiktspēju.
Turklāt ar ultraskaņu var viegli apstrādāt, disperģēt un sintezēt tādus nanomateriālus kā nanosfēras, nanokristāli, nanoloksnes, nanošķiedras, nanovadi, daļiņas ar kodola–čaulas struktūru un citas sarežģītas struktūras.
Turklāt apstrādi ar ultraskaņu var veikt salīdzinoši īsā laikā, kas ir būtiska priekšrocība salīdzinājumā ar citām disperģēšanas metodēm.

Ultraskaņas dispergatoru priekšrocības salīdzinājumā ar alternatīvām sajaukšanas tehnoloģijām

Ultraskaņas dispergatoriem ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar alternatīvām sajaukšanas tehnoloģijām, piemēram, augstspiediena homogenizatoriem, malšanu lodīšu dzirnavās vai sajaukšanu ar rotora–statora maisītāju. Dažas no būtiskākajām priekšrocībām ir šādas:

• Efektīvāka daļiņu izmēra samazināšana: Ultraskaņas dispergatori var efektīvi samazināt daļiņu izmēru līdz nanometru diapazonam, kas nav iespējams ar daudzām citām sajaukšanas tehnoloģijām. Tas padara tos ideāli piemērotus lietojumiem, kuros smalks daļiņu izmērs ir izšķiroši svarīgs.
• Ātrāka sajaukšana: Ultraskaņas dispergatori var sajaukt un disperģēt materiālus ātrāk nekā daudzas citas tehnoloģijas, tādējādi ietaupot laiku un palielinot produktivitāti.
• Bez piesārņojuma: Ultraskaņas dispergatoriem nav nepieciešami malšanas ķermeņi, piemēram, lodītes vai pērlītes, kas nodiluma dēļ piesārņo dispersiju.
• Labāka produkta kvalitāte: Ultraskaņas dispergatori var veidot viendabīgākus maisījumus un suspensijas, nodrošinot labāku un vienmērīgāku produkta kvalitāti. Īpaši caurplūdes režīmā dispersijas suspensija šķērso ultraskaņas kavitācijas zonu stingri kontrolētā veidā, nodrošinot ļoti vienmērīgu apstrādi.
• Mazāks enerģijas patēriņš: Ultraskaņas dispergatoriem parasti nepieciešams mazāk enerģijas nekā citām tehnoloģijām, tādējādi samazinot ekspluatācijas izmaksas.
• Daudzpusība: Ultraskaņas dispergatorus var izmantot plašam lietojumu klāstam, tostarp homogenizēšanai, emulģēšanai, disperģēšanai un deaglomerācijai. Tie var apstrādāt arī dažādus materiālus, tostarp abrazīvus materiālus, šķiedras, korozīvus šķidrumus un pat gāzes.

Pateicoties šīm procesa priekšrocībām, kā arī uzticamībai un vienkāršai ekspluatācijai, ultraskaņas dispergatori pārspēj alternatīvās sajaukšanas tehnoloģijas, tādēļ tie ir populāra izvēle daudziem rūpnieciskiem lietojumiem.

Disperģēšana un deaglomerācija ar ultraskaņu jebkurā mērogā

Hielscher piedāvā ultraskaņas ierīces jebkura tilpuma disperģēšanai un deaglomerācijai porciju apstrādē vai apstrādē plūsmas līnijā. Laboratorijas ultraskaņas ierīces izmanto tilpumiem no 1,5mL līdz aptuveni 2L. Rūpnieciskās ultraskaņas ierīces izmanto procesu izstrādē un ražošanā porcijām 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 uzticami disperģējot un samaļot daļiņas līdz nanomērogam. Ar amplitūdām līdz 200µm var viegli strādāt nepārtraukti 24/7 režīmā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu:

Oglekļa nanocaurulīšu disperģēšana ar ultraskaņu – Hielscher sonikators UP400S (400W) ātri un efektīvi disperģē un atšķetina oglekļa nanocaurulītes (CNT), sadalot to sakopojumus atsevišķās nanocaurulītēs.

Disperģēšanas ar ultraskaņu priekšrocības: viegla mēroga palielināšana

Atšķirībā no citām disperģēšanas tehnoloģijām apstrādes ar ultraskaņu mērogu var viegli palielināt no laboratorijas līdz ražošanas mērogam. Laboratorijas izmēģinājumi ļauj precīzi izvēlēties nepieciešamo iekārtas lielumu. Strādājot galīgajā mērogā, procesa rezultāti ir identiski laboratorijas rezultātiem.

Ultraskaņas ierīces: izturīgas un viegli tīrāmas

Ultraskaņas jauda tiek pārvadīta šķidrumā caur sonotrodi. Tā parasti ir rotācijas simetriska detaļa, kas izgatavota, mehāniski apstrādājot aviācijas kvalitātes monolītu titānu. Tā ir arī vienīgā kustīgā / vibrējošā detaļa, kas saskaras ar šķidrumu. Tā ir vienīgā detaļa, kas pakļauta nodilumam, un to var viegli nomainīt dažu minūšu laikā. Svārstības izolējoši atloki ļauj uzstādīt sonotrodi jebkurā orientācijā atvērtās vai slēgtās tvertnēs, kurās var radīt spiedienu, vai plūsmas šūnās. Gultņi nav nepieciešami. Visas pārējās detaļas, kas saskaras ar šķidrumu, parasti ir izgatavotas no nerūsējošā tērauda. Plūsmas šūnu reaktoriem ir vienkārša ģeometrija, un tos var viegli izjaukt un iztīrīt, piemēram, izskalojot un izslaukot. Tajos nav mazu atveru vai slēptu stūru.

Tīrīšana ar ultraskaņu bez demontāžas

Ultraskaņa ir labi pazīstama ar tās izmantošanu tīrīšanā, piemēram, virsmu un detaļu tīrīšanā. Disperģēšanai izmantotā ultraskaņas intensitāte ir daudz augstāka nekā parastajā tīrīšanā ar ultraskaņu. Tīrot ultraskaņas ierīces detaļas, kas saskaras ar šķidrumu, ultraskaņas jaudu var izmantot, lai veicinātu tīrīšanu caurskalošanas un skalošanas laikā, jo ultraskaņas / akustiskā kavitācija noņem daļiņas un šķidruma atliekas no sonotrodes un plūsmas šūnas 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.