Ultradźwiękowe dyspergowanie i deaglomeracja

Dyspergowanie i deaglomeracja substancji stałych w cieczach to ważne zastosowanie ultradźwięków dużej mocy i sonikatorów sondowych. Kawitacja ultradźwiękowa generuje niezwykle intensywne ścinanie, które rozbija aglomeraty cząstek na pojedyncze, zdyspergowane cząstki. Dzięki miejscowo skoncentrowanym, dużym siłom ścinającym sonikacja idealnie nadaje się do wytwarzania dyspersji o rozmiarach mikrometrowych i nanometrowych do eksperymentów, badań i rozwoju oraz oczywiście do produkcji przemysłowej.

Mieszanie proszków z cieczami jest powszechnym etapem opracowywania formulacji różnych produktów, takich jak farby, tusze, kosmetyki, napoje, hydrożele czy środki polerskie. Poszczególne cząstki są utrzymywane razem przez siły przyciągania o różnym charakterze fizycznym i chemicznym, w tym siły van der Waalsa i napięcie powierzchniowe cieczy. Efekt ten jest silniejszy w przypadku cieczy o większej lepkości, takich jak polimery lub żywice. Aby przeprowadzić deaglomerację i zdyspergować cząstki w ciekłym medium, należy pokonać siły przyciągania. Przeczytaj poniżej, dlaczego homogenizatory ultradźwiękowe są urządzeniami o przewadze nad innymi urządzeniami dyspergującymi przy dyspergowaniu cząstek o rozmiarach submikrometrowych i nanometrowych w laboratorium i przemyśle.

Ultradźwiękowe dyspergowanie substancji stałych w cieczach

Zasada działania homogenizatorów ultradźwiękowych opiera się na zjawisku kawitacji akustycznej. Wiadomo, że kawitacja akustyczna wytwarza intensywne siły fizyczne, w tym bardzo duże siły ścinające. Przyłożenie naprężeń mechanicznych rozbija aglomeraty cząstek. Ponadto ciecz jest wtłaczana pomiędzy cząstki.
Do dyspergowania proszków w cieczach dostępne są na rynku różne technologie, takie jak homogenizatory wysokociśnieniowe, młyny kulkowe z mieszadłem, młyny ze zderzającymi się strumieniami i mieszalniki rotor–stator. Dyspergatory ultradźwiękowe mają jednak istotne zalety. Przeczytaj poniżej, jak działa dyspergowanie ultradźwiękowe i jakie są jego zalety.

 

Film przedstawia ultradźwiękowe dyspergowanie czerwonego barwnika za pomocą UP400St z sondą S24d 22mm.

 

Zasada działania kawitacji i dyspergowania ultradźwiękowego

Podczas sonikacji fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości tworzą w ciekłym medium naprzemienne obszary sprężania i rozrzedzania. Przechodząc przez medium, fale dźwiękowe tworzą pęcherzyki, które szybko się rozszerzają, a następnie gwałtownie zapadają. Proces ten nazywa się kawitacją akustyczną. Zapadanie się pęcherzyków generuje wysokociśnieniowe fale uderzeniowe, mikrostrumienie i siły ścinające, które mogą rozbijać większe cząstki i aglomeraty na mniejsze cząstki. W procesach dyspergowania ultradźwiękowego same cząstki znajdujące się w dyspersji pełnią funkcję medium mielącego. Przyspieszane przez siły ścinające kawitacji ultradźwiękowej cząstki zderzają się ze sobą i rozpadają na drobne fragmenty. Ponieważ do dyspersji poddawanej obróbce ultradźwiękowej nie dodaje się kulek ani perełek, całkowicie unika się czasochłonnego i pracochłonnego oddzielania i czyszczenia mediów mielących, a także zanieczyszczenia.
Dzięki temu sonikacja jest tak skuteczna w dyspergowaniu i deaglomeracji cząstek, nawet tych, które trudno rozbić innymi metodami. Prowadzi to do bardziej równomiernego rozkładu cząstek, co poprawia jakość i właściwości użytkowe produktu.
Ponadto sonikacja umożliwia łatwą obróbkę, dyspergowanie i syntezę nanomateriałów, takich jak nanosfery, nanokryształy, nanoarkusze, nanowłókna, nanodruty, cząstki typu rdzeń–powłoka i inne złożone struktury.
Co więcej, sonikację można przeprowadzić w stosunkowo krótkim czasie, co stanowi istotną przewagę nad innymi technikami dyspergowania.

Zalety dyspergatorów ultradźwiękowych w porównaniu z alternatywnymi technologiami mieszania

Dyspergatory ultradźwiękowe mają kilka zalet w porównaniu z alternatywnymi technologiami mieszania, takimi jak homogenizatory wysokociśnieniowe, mielenie w młynach kulkowych czy mieszanie za pomocą układów rotor–stator. Do najważniejszych zalet należą:

• Skuteczniejsze zmniejszanie rozmiaru cząstek: Dyspergatory ultradźwiękowe mogą skutecznie zmniejszać rozmiary cząstek do zakresu nanometrowego, co nie jest możliwe przy użyciu wielu innych technologii mieszania. Dzięki temu idealnie nadają się do zastosowań, w których kluczowe znaczenie ma mały rozmiar cząstek.
• Szybsze mieszanie: Dyspergatory ultradźwiękowe mogą mieszać i dyspergować materiały szybciej niż wiele innych technologii, co oszczędza czas i zwiększa wydajność.
• Brak zanieczyszczenia: Dyspergatory ultradźwiękowe nie wymagają stosowania mediów mielących, takich jak kulki czy perełki, które zanieczyszczają dyspersję wskutek ścierania.
• Lepsza jakość produktu: Dyspergatory ultradźwiękowe mogą wytwarzać bardziej jednorodne mieszaniny i zawiesiny, co zapewnia lepszą jakość i powtarzalność produktu. Zwłaszcza w trybie przepływowym zawiesina przepływa przez strefę kawitacji ultradźwiękowej w sposób ściśle kontrolowany, co zapewnia bardzo równomierną obróbkę.
• Niższe zużycie energii: Dyspergatory ultradźwiękowe zazwyczaj wymagają mniej energii niż inne technologie, co obniża koszty eksploatacji.
• Wszechstronność: Dyspergatory ultradźwiękowe można stosować w szerokim zakresie zastosowań, w tym do homogenizacji, emulgowania, dyspergowania i deaglomeracji. Umożliwiają również obróbkę różnych materiałów, w tym materiałów ściernych, włókien, cieczy korozyjnych, a nawet gazów.

Dzięki tym zaletom procesowym, a także niezawodności i prostej obsłudze, dyspergatory ultradźwiękowe przewyższają alternatywne technologie mieszania, co sprawia, że są popularnym wyborem w wielu zastosowaniach przemysłowych.

Ultradźwiękowe dyspergowanie i deaglomeracja w dowolnej skali

Hielscher oferuje urządzenia ultradźwiękowe do dyspergowania i deaglomeracji dowolnych objętości w procesach wsadowych lub w linii procesowej. Laboratoryjne urządzenia ultradźwiękowe stosuje się do objętości od 1,5mL do około 2L. Przemysłowe urządzenia ultradźwiękowe stosuje się przy opracowywaniu procesów i w produkcji do partii o objętości od 0,5 do około 2000L lub przy natężeniach przepływu od 0,1L do 20m³ na godzinę.

Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy, dzięki czemu niezawodnie dyspergują i rozdrabniają cząstki do skali nanometrowej. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać podczas ciągłej pracy w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do indywidualnych wymagań.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Ultradźwiękowe dyspergowanie nanorurek węglowych – sonikator Hielscher UP400S (400W) szybko i wydajnie dysperguje nanorurki węglowe (CNT) oraz rozplątuje ich skupiska, rozdzielając je na pojedyncze nanorurki.

Zalety dyspergowania ultradźwiękowego: łatwe zwiększanie skali

W odróżnieniu od innych technologii dyspergowania skalę sonikacji można łatwo zwiększyć ze skali laboratoryjnej do produkcyjnej. Badania laboratoryjne pozwalają dokładnie dobrać wymaganą wielkość urządzeń. Po zastosowaniu w docelowej skali wyniki procesu są identyczne z wynikami laboratoryjnymi.

Sonikatory: wytrzymałe i łatwe w czyszczeniu

Moc ultradźwiękowa jest przekazywana do cieczy za pośrednictwem sonotrody. Jest to zazwyczaj element o symetrii obrotowej, wykonany przez obróbkę skrawaniem z litego tytanu jakości lotniczej. Jest to również jedyny ruchomy / drgający element mający kontakt z cieczą. To jedyny element podlegający zużyciu i można go łatwo wymienić w ciągu kilku minut. Kołnierze odsprzęgające drgania umożliwiają montaż sonotrody w dowolnej orientacji w otwartych zbiornikach lub zamkniętych zbiornikach przystosowanych do pracy pod ciśnieniem, bądź w komorach przepływowych. Łożyska nie są potrzebne. Wszystkie pozostałe elementy mające kontakt z cieczą są na ogół wykonane ze stali nierdzewnej. Reaktory z komorami przepływowymi mają prostą geometrię i można je łatwo demontować i czyścić, np. przez przepłukiwanie i wycieranie wnętrza. Nie ma małych otworów ani ukrytych zakamarków.

Ultradźwiękowe czyszczenie na miejscu bez demontażu

Ultradźwięki są dobrze znane z zastosowań do czyszczenia, takich jak czyszczenie powierzchni i części. Natężenie ultradźwięków stosowane do dyspergowania jest znacznie wyższe niż przy typowym czyszczeniu ultradźwiękowym. Podczas czyszczenia elementów urządzenia ultradźwiękowego mających kontakt z cieczą moc ultradźwiękowa może wspomagać czyszczenie podczas przepłukiwania i płukania, ponieważ kawitacja ultradźwiękowa / akustyczna usuwa cząstki i pozostałości cieczy z sonotrody oraz ze ścian komory przepływowej.

---

---

Literatura / Źródła

• 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.