Dyspergowanie i deaglomeracja ciał stałych w cieczach jest ważnym zastosowaniem ultradźwięków mocy i sonikatorów typu sondy. Kawitacja ultradźwiękowa generuje niezwykle wysokie ścinanie, które rozbija aglomeraty cząstek na pojedyncze zdyspergowane cząstki. Ze względu na lokalnie skoncentrowane wysokie siły ścinające, sonikacja jest idealna do wytwarzania dyspersji mircon i nano do eksperymentów, badań i rozwoju oraz oczywiście do produkcji przemysłowej.

Mieszanie proszków z cieczami jest częstym etapem tworzenia różnych produktów, takich jak farby, tusze, kosmetyki, napoje, hydrożele czy środki polerskie. Poszczególne cząstki są utrzymywane razem przez siły przyciągania o różnej naturze fizycznej i chemicznej, w tym siły van der Waalsa i napięcie powierzchniowe cieczy. Efekt ten jest silniejszy w przypadku cieczy o wyższej lepkości, takich jak polimery czy żywice. Siły przyciągania muszą zostać pokonane, aby doszło do deaglomeracji i rozproszenia cząstek w ciekłym medium. Przeczytaj poniżej, dlaczego homogenizatory ultradźwiękowe są najlepszym urządzeniem do dyspergowania cząstek o rozmiarach submikronowych i nano w laboratoriach i przemyśle.

Ultradźwiękowe dyspergowanie ciał stałych w cieczach

Zasada działania homogenizatorów ultradźwiękowych oparta jest na zjawisku kawitacji akustycznej. Kawitacja akustyczna znana jest z tworzenia intensywnych sił fizycznych, w tym bardzo silnych sił ścinających. Zastosowanie naprężeń mechanicznych powoduje rozerwanie aglomeratów cząstek. Również ciecz jest wtłaczana pomiędzy cząstki.
Do dyspergowania proszków w cieczach dostępne są różne technologie, takie jak homogenizatory wysokociśnieniowe, młyny perełkowe z mieszadłem, młyny strumieniowe z uderzeniami oraz mieszalniki wirnikowe. Jednak dyspergatory ultradźwiękowe mają znaczące zalety. Przeczytaj poniżej, jak działa dyspersja ultradźwiękowa i jakie są jej zalety.

 

 

Zasada działania ultradźwiękowej kawitacji i dyspersji

Podczas sonikacji, fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości tworzą w ciekłym medium naprzemienne obszary kompresji i rarefakcji. Gdy fale dźwiękowe przechodzą przez ośrodek, tworzą pęcherzyki, które szybko się rozszerzają, a następnie gwałtownie zapadają. Proces ten nazywany jest kawitacją akustyczną. Zapadanie się pęcherzyków generuje wysokociśnieniowe fale uderzeniowe, mikrodysze i siły ścinające, które mogą rozbić większe cząstki i aglomeraty na mniejsze. W procesach dyspersji ultradźwiękowej same cząstki w dyspersji pełnią funkcję medium mielącego. Przyspieszone przez siły ścinające kawitacji ultradźwiękowej, cząstki zderzają się ze sobą i rozbijają na drobne fragmenty. Ponieważ do dyspersji poddanej działaniu ultradźwięków nie dodaje się pereł ani kulek, całkowicie unika się czasochłonnego i pracochłonnego oddzielania i czyszczenia mediów mielących, jak również zanieczyszczeń.
To sprawia, że sonikacja jest tak skuteczna w rozpraszaniu i deaglomeracji cząstek, nawet tych, które są trudne do rozbicia innymi metodami. Skutkuje to bardziej jednolitą dystrybucją cząstek, co prowadzi do poprawy jakości i wydajności produktu.
Ponadto sonikacja może z łatwością przetwarzać, dyspergować i syntetyzować nanomateriały, takie jak nanosfery, nanokryształy, nanosiatki, nanowłókna, nanowłókna, cząstki typu core-shell i inne złożone struktury.
Ponadto sonikacja może być przeprowadzona w stosunkowo krótkim czasie, co stanowi istotną przewagę nad innymi technikami dyspersyjnymi.

Zalety dyspergatorów ultradźwiękowych w porównaniu z alternatywnymi technologiami mieszania

Dyspergatory ultradźwiękowe oferują szereg zalet w porównaniu z alternatywnymi technologiami mieszania, takimi jak homogenizatory wysokociśnieniowe, mielenie perełek lub mieszanie rotor-stator. Niektóre z najbardziej widocznych zalet obejmują:

• Ulepszona redukcja wielkości cząstek: Dyspergatory ultradźwiękowe mogą skutecznie zmniejszyć rozmiary cząstek do zakresu nanometrów, co nie jest możliwe w przypadku wielu innych technologii mieszania. To sprawia, że są idealne do zastosowań, w których drobny rozmiar cząstek jest krytyczny.
• Szybsze mieszanie: Dyspergatory ultradźwiękowe mogą mieszać i dyspergować materiały szybciej niż wiele innych technologii, co pozwala zaoszczędzić czas i zwiększyć wydajność.
• Brak skażenia: Dyspergatory ultradźwiękowe nie wymagają stosowania mediów mielących, takich jak kulki czy perły, które zanieczyszczają dyspersję poprzez ścieranie.
• Lepsza jakość produktu: Dyspergatory ultradźwiękowe mogą wytwarzać bardziej jednolite mieszaniny i zawiesiny, co skutkuje lepszą jakością i konsystencją produktu. Szczególnie w trybie przepływu, zawiesina dyspersyjna przechodzi przez strefę kawitacji ultradźwiękowej w sposób wysoce kontrolowany, zapewniając bardzo jednolitą obróbkę.
• Niższe zużycie energii: Dyspergatory ultradźwiękowe zazwyczaj wymagają mniej energii niż inne technologie, co obniża koszty operacyjne.
• Wszechstronność: Dyspergatory ultradźwiękowe mogą być wykorzystywane do wielu zastosowań, w tym homogenizacji, emulgowania, dyspersji i deaglomeracji. Mogą one również obsługiwać różne materiały, w tym materiały ścierne, włókna, ciecze korozyjne, a nawet gazy.

Ze względu na te zalety procesowe, jak również niezawodność i prostą obsługę, dyspergatory ultradźwiękowe przewyższają alternatywne technologie mieszania, co czyni je popularnym wyborem w wielu zastosowaniach przemysłowych.

Ultradźwiękowe dyspergowanie i deaglomeracja w dowolnej skali

Hielscher oferuje urządzenia ultradźwiękowe do dyspergowania i deaglomeracji dowolnej objętości do przetwarzania wsadowego lub liniowego. Ultradźwiękowe urządzenia laboratoryjne są stosowane do objętości od 1,5 ml do około 2 litrów. Przemysłowe urządzenia ultradźwiękowe są wykorzystywane w rozwoju procesu i produkcji dla partii od 0,5 do około 2000L lub natężenia przepływu od 0,1L do 20m³ na godzinę.

Przemysłowe procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher Ultrasonics mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy, dzięki czemu niezawodnie rozpraszają i mielą cząstki do skali nano. Amplitudy do 200µm mogą być z łatwością realizowane w trybie ciągłym 24/7. Dla jeszcze większych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

Zalety dyspersji ultradźwiękowej: Łatwość skalowania

W odróżnieniu od innych technologii dyspergowania, ultradźwięki mogą być łatwo skalowane od rozmiarów laboratoryjnych do produkcyjnych. Testy laboratoryjne pozwolą dokładnie dobrać wymaganą wielkość urządzenia. Przy zastosowaniu w skali końcowej, wyniki procesu są identyczne z wynikami laboratoryjnymi.

Ultrasonografy: Wytrzymałe i łatwe do czyszczenia

Moc ultradźwiękowa jest przekazywana do cieczy za pośrednictwem sonotrody. Jest to typowo obrotowa, symetryczna część, która jest wykonana z litego tytanu o jakości lotniczej. Jest to również jedyna ruchoma / wibrująca część mokra. Jest to jedyna część, która podlega zużyciu i może być łatwo wymieniona w ciągu kilku minut. Kołnierze odsprzęgające umożliwiają montaż sonotrody w otwartych lub zamkniętych pojemnikach ciśnieniowych lub komorach przepływowych w dowolnej orientacji. Nie są potrzebne żadne łożyska. Wszystkie inne części zwilżane są zazwyczaj wykonane ze stali nierdzewnej. Reaktory z komórkami przepływowymi mają prostą geometrię i mogą być łatwo demontowane i czyszczone, np. przez spłukiwanie i wycieranie. Nie ma małych kryz ani ukrytych zakamarków.

Ultradźwiękowa myjka w miejscu (CIP)

Ultradźwięki są dobrze znane z zastosowań czyszczących, takich jak czyszczenie powierzchni, części. Natężenie ultradźwięków stosowane w aplikacjach dyspergujących jest znacznie wyższe niż w przypadku typowego czyszczenia ultradźwiękowego. Jeśli chodzi o czyszczenie zwilżonych części urządzenia ultradźwiękowego, moc ultradźwiękowa może być wykorzystana do wspomagania czyszczenia podczas płukania i płukania, ponieważ kawitacja ultradźwiękowa / akustyczna usuwa cząstki i pozostałości cieczy z sonotrody i ze ścian komórki przepływowej.

---

---

Literatura / materiały źródłowe

• 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.