Ultrasoon dispergeren en deagglomereren
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 veel voorkomende stap in de formulering van verschillende producten, zoals verf, inkt, cosmetica, dranken, hydrogels of polijstmiddelen. De individuele deeltjes worden bij elkaar gehouden door aantrekkingskrachten van verschillende fysische en chemische aard, waaronder van der Waals krachten en 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 te dispergeren in vloeibare media. Lees hieronder waarom ultrasone homogenisatoren de superieure dispergeerapparatuur zijn voor de dispersie van deeltjes met submicron- en nano-afmetingen in laboratoria en de industrie.
Ultrasone UP400St voor de bereiding van nanodeeltjesdispersies in batches.
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 er vloeistof tussen de deeltjes geperst.
Voor het dispergeren van poeders in vloeistoffen zijn verschillende technologieën in de handel verkrijgbaar, zoals hogedrukhomogenisatoren, roermolens, straalmolens en rotor-stator-mengers. Ultrasone dispergeerders hebben echter aanzienlijke voordelen. Lees hieronder hoe ultrasone dispersie werkt en wat de voordelen van ultrasone dispersie zijn.
Het werkingsprincipe van ultrasone cavitatie en dispersie
Tijdens sonificatie creëren geluidsgolven met een hoge frequentie afwisselend compressie- en compressiegebieden in het vloeibare medium. 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 bellen genereert schokgolven onder hoge druk, microjets en schuifkrachten die grotere deeltjes en agglomeraten kunnen afbreken tot kleinere deeltjes. Bij ultrasone dispersieprocessen fungeren de deeltjes zelf in de dispersie als maalmedium. Versneld door de schuifkrachten van ultrasone cavitatie, botsen de deeltjes tegen elkaar en versplinteren in kleine fragmenten. Aangezien er geen parels of parels worden toegevoegd aan de ultrasoon behandelde dispersie, 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 van deeltjes die moeilijk af te breken zijn met andere methodes. Dit resulteert in een meer uniforme verdeling van de deeltjes, wat leidt tot een betere productkwaliteit en betere prestaties.
Bovendien kan sonicatie nanomaterialen zoals nanosferen, nanokristallen, nanosheets, nanovezels, nanodraden, kernschildeeltjes en andere complexe structuren gemakkelijk hanteren, dispergeren en synthetiseren.
Bovendien kan sonicatie in een relatief kort tijdsbestek worden uitgevoerd, wat een groot 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, parelfrezen of rotor-statormenging. Enkele van de meest in het oog springende voordelen zijn
- Verbeterde deeltjesgrootte reductie: Ultrasone dispergeerders kunnen de deeltjesgrootte effectief terugbrengen tot het nanometerbereik, wat met veel andere mengtechnologieën niet mogelijk is. Hierdoor zijn ze ideaal voor toepassingen waarbij een fijne deeltjesgrootte kritisch is.
- Sneller mengen: Ultrasone dispergeerders kunnen materialen sneller mengen en dispergeren dan veel andere technologieën, wat tijd bespaart en de productiviteit verhoogt.
- Geen verontreiniging: Ultrasone dispergeerders vereisen geen gebruik van maalmedia zoals kralen of parels, die de dispersie vervuilen door schuring.
- Betere productkwaliteit: Ultrasone dispergeerders kunnen meer uniforme mengsels en suspensies produceren, wat resulteert in 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 lager zijn.
- Veelzijdigheid: Ultrasone dispergeerders kunnen worden gebruikt voor een groot aantal toepassingen, waaronder homogeniseren, emulgeren, dispergeren en deagglomereren. Ze kunnen ook een verscheidenheid aan 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 ze een populaire keuze zijn voor veel industriële toepassingen.
Ultrasone UIP1000hdT (1000 watt) dispergeren van nanofillers in vernissen
Ultrasone dispersie van pyrogeen kiezelzuur in water: Vóór de ultrasoon dispersie is de geagglomereerde silica deeltjesgrootte meer dan 200 micron (D50). Na ultrasone dispersie van het pyrogeen kiezelzuur werden de meeste deeltjes gereduceerd tot minder dan 200 nanometer.
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 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar.
Industrieel vermogen ultrasoon systeem MultiSonoReactor voor industriële inline dispersie: Ultrasone roerders met hoge prestaties zijn betrouwbare en zeer efficiënte inline mengsystemen voor de productie van nanodispersies.
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 0.5 tot 1.5mL | n.v.t. | VialTweeter | 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150 liter | 3 tot 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Ultrasone UIP1000hdT (1000 watt) dispergeren van nanofillers in vernissen
Voordelen van ultrasone dispersie: Gemakkelijk op te schalen
In tegenstelling tot andere dispergeertechnologieën kan ultrasoonbehandeling gemakkelijk worden opgeschaald van laboratorium- naar productiemaat. Met laboratoriumtests kan de vereiste apparatuurgrootte nauwkeurig worden gekozen. Bij gebruik op eindschaal zijn de procesresultaten identiek aan de laboratoriumresultaten.
Ultrasone apparaten: Robuust en gemakkelijk schoon te maken
Ultrasoon vermogen wordt via een sonotrode in de vloeistof overgebracht. Dit is een typisch roterend symmetrisch onderdeel dat wordt vervaardigd uit massief titanium van vliegtuigkwaliteit. Dit is ook het enige bewegende/trillende natgemaakte onderdeel. Het is het enige onderdeel dat aan slijtage onderhevig is en het kan eenvoudig binnen enkele minuten worden vervangen. Oscillatie-ontkoppelingsflenzen maken het mogelijk om de sonotrode in elke oriëntatie in open of gesloten drukbare containers of flowcellen te monteren. Er zijn geen lagers nodig. Alle andere natte onderdelen zijn meestal gemaakt van roestvrij staal. Stromingscelreactoren hebben eenvoudige geometrieën en kunnen eenvoudig gedemonteerd en gereinigd worden, bijvoorbeeld door spoelen en afvegen. Er zijn geen kleine openingen of verborgen hoeken.
Ultrasone reiniger op zijn plaats
Ultrasoon geluid staat bekend om zijn reinigingstoepassingen, zoals het reinigen van oppervlakken en onderdelen. De ultrasone intensiteit die wordt gebruikt voor dispergerende toepassingen is veel hoger dan voor typische ultrasone reiniging. Als het gaat om de reiniging van de bevochtigde onderdelen van het ultrasoonapparaat, kan de ultrasone kracht worden gebruikt om de reiniging te ondersteunen tijdens het spoelen, aangezien de ultrasone/akoestische cavitatie deeltjes en vloeistofresten verwijdert van de sonotrode en van de wanden van de doorstroomcel.
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.
Ultrasone homogenisator UIP6000hdT voor industriële inline verwerking van grote volumes.
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.