Het dispergeren en deagglomereren van vaste stoffen in vloeistoffen is een belangrijke toepassing van ultrageluid en sonicatoren van het sonde-type. Ultrasone cavitatie genereert een buitengewoon hoge schuifkracht die deeltjesagglomeraten breekt in afzonderlijke gedispergeerde deeltjes. Vanwege de lokaal gerichte hoge schuifkrachten is sonificatie ideaal voor het produceren van dispersies van mircon- en nanogrootte voor experimenten, onderzoek en ontwikkeling, en natuurlijk voor industriële productie.

Het mengen van poeders in vloeistoffen is een gebruikelijke stap bij de formulering van diverse producten, zoals verf, inkt, cosmetica, dranken, hydrogels of polijstmiddelen. De afzonderlijke deeltjes worden bijeengehouden door aantrekkingskrachten van verschillende fysische en chemische aard, waaronder van der Waals-krachten en de oppervlaktespanning van een vloeistof. Dit effect is sterker voor vloeistoffen met een hogere viscositeit, zoals polymeren of harsen. De aantrekkingskrachten moeten worden overwonnen om de deeltjes te deagglomereren en te dispergeren in vloeibare media. Lees hieronder waarom ultrasone homogenisatoren de superieure dispergeerapparatuur zijn voor de dispersie van submicron- en nanodeeltjes in het lab en de industrie.

Ultrasoon dispergeren van vaste stoffen in vloeistoffen

Het werkingsprincipe van ultrasone homogenisatoren is gebaseerd op het fenomeen van akoestische cavitatie. Het is bekend dat akoestische cavitatie intense fysieke krachten creëert, waaronder zeer sterke schuifkrachten. De toepassing van mechanische spanning breekt de deeltjesagglomeraten uit elkaar. Ook wordt vloeistof tussen de deeltjes geperst.
Terwijl voor het dispergeren van poeders in vloeistoffen diverse technologieën in de handel verkrijgbaar zijn, zoals hogedrukhomogenisatoren, roermolens, straalmolens en rotor-stator-mengers. Ultrasone dispergeerders hebben echter aanzienlijke voordelen. Lees hieronder hoe ultrasone dispersie werkt en wat de voordelen ervan zijn.

 

 

Het werkingsprincipe van ultrasone cavitatie en dispersie

Tijdens sonificatie creëren hoogfrequente geluidsgolven in het vloeibare medium afwisselend compressie- en rarefactiegebieden. Als de geluidsgolven door het medium gaan, creëren ze bubbels die snel uitzetten en vervolgens heftig instorten. Dit proces wordt akoestische cavitatie genoemd. Het uiteenvallen van de belletjes genereert schokgolven onder hoge druk, microjets en schuifkrachten die grotere deeltjes en agglomeraten in kleinere deeltjes kunnen doen uiteenvallen. Bij ultrasone dispersieprocessen fungeren de deeltjes zelf in de dispersie als maalmedium. Versneld door de schuifkrachten van ultrasone cavitatie, botsen de deeltjes op elkaar en versplinteren in kleine fragmenten. Aangezien aan de ultrasoon behandelde dispersie geen korrels of parels worden toegevoegd, worden de tijdrovende en arbeidsintensieve scheiding en reiniging van maalmedia en verontreiniging volledig vermeden.
Dit maakt sonicatie zo effectief in het dispergeren en deagglomereren van deeltjes, zelfs die welke moeilijk te breken zijn met andere methoden. Dit resulteert in een meer uniforme verdeling van de deeltjes, wat leidt tot een betere productkwaliteit en betere prestaties.
Bovendien kan sonicatie gemakkelijk nanomaterialen zoals nanosferen, nanokristallen, nanosheets, nanovezels, nanodraden, kernschilddeeltjes en andere complexe structuren hanteren, dispergeren en synthetiseren.
Bovendien kan sonicatie worden uitgevoerd in een betrekkelijk kort tijdsbestek, hetgeen een belangrijk voordeel is ten opzichte van andere dispersietechnieken.

Voordelen van ultrasone dispergeerders ten opzichte van alternatieve mengtechnologieën

Ultrasone dispergeerders bieden verschillende voordelen ten opzichte van alternatieve mengtechnologieën zoals hogedrukhomogenisatoren, het malen van parels of het mengen met rotor-stator. Enkele van de belangrijkste voordelen zijn

• Verbeterde deeltjesgrootte reductie: Ultrasone dispergeerders kunnen de deeltjesgrootte effectief terugbrengen tot het nanometerbereik, wat met veel andere mengtechnologieën niet mogelijk is. Daardoor zijn ze ideaal voor toepassingen waarbij een fijne deeltjesgrootte van cruciaal belang is.
• Sneller mengen: Ultrasone dispergeerders kunnen materialen sneller mengen en dispergeren dan vele andere technologieën, wat tijd bespaart en de productiviteit verhoogt.
• Geen besmetting: Ultrasone dispergeerders vereisen geen gebruik van maalmedia zoals kralen of parels, die de dispersie verontreinigen door schuring.
• Betere productkwaliteit: Ultrasone dispergeerders kunnen uniformere mengsels en suspensies produceren, wat leidt tot een betere productkwaliteit en -consistentie. Vooral in de doorstroommodus passeert de dispersieslurry de ultrasone cavitatiezone op een zeer gecontroleerde manier, waardoor een zeer uniforme behandeling wordt gegarandeerd.
• Lager energieverbruik: Ultrasone dispergeerders hebben doorgaans minder energie nodig dan andere technologieën, waardoor de bedrijfskosten dalen.
• Veelzijdigheid: Ultrasone dispergeerders kunnen worden gebruikt voor een groot aantal toepassingen, waaronder homogeniseren, emulgeren, dispergeren en deagglomereren. Zij kunnen ook allerlei materialen verwerken, waaronder schurende materialen, vezels, corrosieve vloeistoffen en zelfs gassen.

Vanwege deze procesvoordelen en de betrouwbaarheid en eenvoudige bediening overtreffen ultrasone dispergeerders alternatieve mengtechnologieën, waardoor zij een populaire keuze zijn voor vele industriële toepassingen.

Ultrasoon dispergeren en deagglomereren op elke schaal

Hielscher biedt ultrasone apparaten voor het dispergeren en deagglomereren van elk volume voor batch- of inlineverwerking. Ultrasone laboratoriumapparaten worden gebruikt voor volumes van 1,5mL tot ca. 2L. Industriële ultrasone apparaten worden gebruikt in de procesontwikkeling en productie voor batches van 0,5 tot ca. 2000 liter of debieten van 0,1 liter tot 20 m³ per uur.

De industriële ultrasoonprocessoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren en zo betrouwbaar deeltjes tot op nanoschaal dispergeren en malen. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar.

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:

Voordelen van ultrasone dispersie: Gemakkelijk op te schalen

Anders dan andere dispergeertechnologieën kan ultrasoonbehandeling gemakkelijk worden opgeschaald van laboratorium- tot productieformaat. Aan de hand van laboratoriumproeven kan de vereiste apparatuurgrootte nauwkeurig worden gekozen. Bij gebruik op eindschaal zijn de procesresultaten identiek aan de laboratoriumresultaten.

Ultrasone apparaten: Robuust en gemakkelijk te reinigen

Ultrasoon vermogen wordt in de vloeistof overgebracht via een sonotrode. Dit is een typisch roterend symmetrisch onderdeel, dat is vervaardigd uit massief titanium van vliegtuigkwaliteit. Dit is ook het enige bewegende/trillende bevochtigde onderdeel. Het is het enige onderdeel dat aan slijtage onderhevig is en het kan gemakkelijk binnen enkele minuten worden vervangen. Oscillatie-ontkoppelingsflenzen maken het mogelijk de sonotrode te monteren in open of gesloten drukbare containers of flowcellen in elke oriëntatie. Er zijn geen lagers nodig. Alle andere bevochtigde onderdelen zijn doorgaans van roestvrij staal. Stroomcelreactoren hebben een eenvoudige geometrie en kunnen gemakkelijk worden gedemonteerd en gereinigd, b.v. door spoelen en afvegen. Er zijn geen kleine openingen of verborgen hoekjes.

Ultrasone reiniger op zijn plaats

Ultrasoon geluid staat bekend om zijn reinigingstoepassingen, zoals de reiniging van oppervlakken en onderdelen. De ultrasone intensiteit die voor dispersietoepassingen wordt gebruikt, is veel hoger dan voor typische ultrasone reiniging. Bij de reiniging van de bevochtigde delen van het ultrasone apparaat kan het ultrasone vermogen worden gebruikt om de reiniging tijdens het spoelen te ondersteunen, aangezien de ultrasone/akoestische cavitatie deeltjes en vloeistofresten van de sonotrode en van de wanden van de doorstroomcel verwijdert.

---

---

Literatuur / Referenties

• 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.