Ultrasoon dispergeren en deagglomeratie

Het dispergeren en deagglomereren van vaste stoffen in vloeistoffen is een belangrijke toepassing van vermogensultrasoon en sonicators met een sonde. Ultrasone cavitatie genereert buitengewoon hoge afschuiving die deeltjesagglomeraten opbreekt tot afzonderlijke gedispergeerde deeltjes. Dankzij de lokaal geconcentreerde hoge afschuifkrachten is sonicatie ideaal voor het produceren van dispersies op micro- en nanoschaal voor experimenten, onderzoek en ontwikkeling, en uiteraard voor industriële productie.

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

Ultrasoon dispergeren van vaste stoffen in vloeistoffen

Het werkingsprincipe van ultrasone homogenisatoren is gebaseerd op het verschijnsel akoestische cavitatie. Akoestische cavitatie staat erom bekend intense fysische krachten te genereren, waaronder zeer sterke afschuifkrachten. Door mechanische belasting toe te passen, worden de deeltjesagglomeraten opgebroken. Ook wordt vloeistof tussen de deeltjes geperst.
Voor het dispergeren van poeders in vloeistoffen zijn diverse technologieën commercieel verkrijgbaar, zoals hogedrukhomogenisatoren, roerwerkparelmolens, molens met botsende stralen en rotor-statormengers. Ultrasone dispergeerapparaten bieden echter aanzienlijke voordelen. Lees hieronder hoe ultrasone dispersie werkt en wat de voordelen van ultrasone dispersie zijn.

 

De video toont het ultrasoon dispergeren van rode kleurstof met de UP400St met een S24d 22mm-sonotrode.

 

Het werkingsprincipe van ultrasone cavitatie en dispersie

Tijdens sonicatie creëren hoogfrequente geluidsgolven afwisselende zones van compressie en verdunning in het vloeibare medium. Terwijl de geluidsgolven door het medium gaan, creëren ze bellen die snel uitzetten en vervolgens heftig imploderen. Dit proces wordt akoestische cavitatie genoemd. De implosie van de bellen genereert hogedrukschokgolven, microjets en afschuifkrachten die grotere deeltjes en agglomeraten kunnen opbreken tot kleinere deeltjes. Bij ultrasone dispersieprocessen functioneren de deeltjes in de dispersie zelf als maalmedium. Versneld door de afschuifkrachten van ultrasone cavitatie botsen de deeltjes tegen elkaar en vallen ze uiteen in zeer kleine fragmenten. Omdat er geen maalkogels of maalparels aan de ultrasoon behandelde dispersie worden toegevoegd, worden de tijdrovende en arbeidsintensieve scheiding en reiniging van maalmedia en ook verontreiniging volledig vermeden.
Dit maakt sonicatie zo effectief voor het dispergeren en deagglomereren van deeltjes, zelfs van deeltjes die met andere methoden moeilijk op te breken zijn. Dit resulteert in een gelijkmatigere verdeling van deeltjes, wat leidt tot een betere productkwaliteit en betere prestaties.
Daarnaast kan sonicatie nanomaterialen zoals nanobolletjes, nanokristallen, nanoplaatjes, nanovezels, nanodraden, kern-schildeeltjes en andere complexe structuren eenvoudig verwerken, dispergeren en synthetiseren.
Bovendien kan sonicatie in relatief korte tijd worden uitgevoerd, wat een groot voordeel is ten opzichte van andere dispersietechnieken.

Voordelen van ultrasone dispergeerapparaten ten opzichte van alternatieve mengtechnologieën

Ultrasone dispergeerapparaten bieden verschillende voordelen ten opzichte van alternatieve mengtechnologieën, zoals hogedrukhomogenisatoren, malen met parelmolens of mengen met rotor-statormengers. Enkele van de belangrijkste voordelen zijn:

• Verbeterde verkleining van de deeltjesgrootte: Ultrasone dispergeerapparaten kunnen deeltjes effectief verkleinen tot het nanometerbereik, wat met veel andere mengtechnologieën niet mogelijk is. Dit maakt ze ideaal voor toepassingen waarbij een fijne deeltjesgrootte cruciaal is.
• Sneller mengen: Ultrasone dispergeerapparaten kunnen materialen sneller mengen en dispergeren dan veel andere technologieën, wat tijd bespaart en de productiviteit verhoogt.
• Geen verontreiniging: Ultrasone dispergeerapparaten vereisen geen maalmedia zoals maalkogels of maalparels, die de dispersie door slijtage verontreinigen.
• Betere productkwaliteit: Ultrasone dispergeerapparaten kunnen gelijkmatigere mengsels en suspensies produceren, wat resulteert in een betere productkwaliteit en consistentie. Vooral bij doorstroomwerking passeert de dispersieslurry de ultrasone cavitatiezone op een zeer gecontroleerde manier, waardoor een zeer gelijkmatige behandeling wordt gewaarborgd.
• Lager energieverbruik: Ultrasone dispergeerapparaten vereisen doorgaans minder energie dan andere technologieën, wat de bedrijfskosten verlaagt.
• Veelzijdigheid: Ultrasone dispergeerapparaten kunnen voor een breed scala aan toepassingen worden gebruikt, waaronder homogenisatie, emulgering, dispersie en deagglomeratie. Ze kunnen ook uiteenlopende materialen verwerken, waaronder abrasieve materialen, vezels, corrosieve vloeistoffen en zelfs gassen.

Dankzij deze procesvoordelen, hun betrouwbaarheid en eenvoudige bediening presteren ultrasone dispergeerapparaten beter dan alternatieve mengtechnologieën, waardoor ze een populaire keuze zijn voor veel industriële toepassingen.

Ultrasoon dispergeren en deagglomeratie op elke schaal

Hielscher biedt ultrasone apparaten voor het dispergeren en deagglomereren van elk volume, voor batchgewijze of inline verwerking. Ultrasone laboratoriumapparaten worden gebruikt voor volumes van 1,5mL tot ca. 2L. Industriële ultrasone apparaten worden gebruikt bij procesontwikkeling en productie voor batches van 0,5 tot ca. 2000L of debieten van 0,1L tot 20m³ per uur.

De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren en daarmee deeltjes betrouwbaar dispergeren en malen tot op nanoschaal. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:

Ultrasone dispersie van koolstofnanobuisjes – de Hielscher-sonicator UP400S (400W) dispergeert en ontwart CNT's snel en efficiënt tot afzonderlijke nanobuisjes.

Voordelen van ultrasone dispersie: eenvoudig op te schalen

Anders dan andere dispergeertechnologieën kan sonicatie eenvoudig worden opgeschaald van laboratorium- naar productieschaal. Met laboratoriumtests kan de vereiste apparatuurgrootte nauwkeurig worden geselecteerd. Bij toepassing op de uiteindelijke schaal zijn de procesresultaten identiek aan de laboratoriumresultaten.

Ultrasonicators: robuust en eenvoudig te reinigen

Ultrasoon vermogen wordt via een sonotrode op de vloeistof overgebracht. Dit is doorgaans een rotatiesymmetrisch onderdeel dat uit massief titanium van luchtvaartkwaliteit wordt vervaardigd door verspaning. Dit is ook het enige bewegende / trillende onderdeel dat met de vloeistof in contact komt. Het is het enige onderdeel dat aan slijtage onderhevig is en het kan eenvoudig binnen enkele minuten worden vervangen. Flenzen die trillingen ontkoppelen maken het mogelijk de sonotrode in elke richting te monteren in open of gesloten, onder druk te zetten vaten of doorstroomcellen. Er zijn geen lagers nodig. Alle andere onderdelen die met de vloeistof in contact komen, zijn doorgaans gemaakt van roestvast staal. Doorstroomcelreactoren hebben eenvoudige geometrieën en kunnen eenvoudig worden gedemonteerd en gereinigd, bijvoorbeeld door doorspoelen en uitvegen. Er zijn geen kleine openingen of verborgen hoeken.

Ultrasone reiniging ter plaatse

Ultrasoon is algemeen bekend om zijn reinigingstoepassingen, zoals het reinigen van oppervlakken en onderdelen. De ultrasone intensiteit die voor dispergeertoepassingen wordt gebruikt, is veel hoger dan bij gebruikelijke ultrasone reiniging. Bij het reinigen van de onderdelen van het ultrasone apparaat die met de vloeistof in contact komen, kan het ultrasone vermogen worden gebruikt om de reiniging tijdens het doorspoelen en naspoelen te ondersteunen, omdat de ultrasone / akoestische cavitatie deeltjes en vloeistofresten van de sonotrode en 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.