Ultradźwiękowe rozpraszanie i deaglomeracja

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 lub 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 wyższej lepkości, takich jak polimery lub żywice. Siły przyciągania muszą zostać przezwyciężone w celu deaglomeracji i rozproszenia cząstek w ciekłych mediach. Przeczytaj poniżej, dlaczego homogenizatory ultradźwiękowe są doskonałym sprzętem dyspergującym do dyspersji cząstek submikronowych i nanocząstek w laboratorium i przemyśle.

Ultradźwiękowe dyspergowanie ciał stałych w cieczach

Zasada działania homogenizatorów ultradźwiękowych opiera się na zjawisku kawitacji akustycznej. Wiadomo, że kawitacja akustyczna wytwarza intensywne siły fizyczne, w tym bardzo silne siły ścinające. Zastosowanie naprężeń mechanicznych rozbija aglomeraty cząstek. Ponadto ciecz jest wciskana między cząstki.
Podczas gdy do dyspergowania proszków w cieczach dostępne są różne technologie, takie jak homogenizatory wysokociśnieniowe, młyny perełkowe z mieszadłem, młyny strumieniowe i mieszalniki wirnikowo-statorowe. Jednak dyspergatory ultradźwiękowe mają znaczące zalety. Przeczytaj poniżej, jak działa dyspersja ultradźwiękowa i jakie są jej zalety.

 

 

Zasada działania kawitacji ultradźwiękowej i dyspersji

Podczas sonikacji fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości tworzą naprzemienne obszary kompresji i rozrzedzenia w ciekłym medium. Gdy fale dźwiękowe przechodzą przez medium, 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 rozbijać większe cząstki i aglomeraty na mniejsze cząstki. W procesach dyspersji ultradźwiękowej same cząstki w dyspersji działają jako medium mielące. Przyspieszane przez siły ścinające kawitacji ultradźwiękowej, cząstki zderzają się ze sobą i rozpadają na drobne fragmenty. Ponieważ do dyspersji poddanej obróbce ultradźwiękowej nie dodaje się kulek ani perełek, całkowicie unika się czasochłonnego i pracochłonnego oddzielania i czyszczenia mediów mielących, a także 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 jednolitym rozkładem cząstek, co prowadzi do poprawy jakości i wydajności produktu.
Ponadto, sonikacja może z łatwością obsługiwać, rozpraszać i syntetyzować nanomateriały, takie jak nanosfery, nanokryształy, nanosiatki, nanowłókna, nanodruty, cząstki core-shell i inne złożone struktury.
Ponadto, sonikacja może być przeprowadzona w stosunkowo krótkim czasie, co jest główną zaletą w porównaniu z innymi technikami dyspersji.

Zalety dyspergatorów ultradźwiękowych w porównaniu z alternatywnymi technologiami mieszania

Dyspergatory ultradźwiękowe oferują szereg zalet w porównaniu z alternatywnymi technologiami mieszania, takimi jak homogenizatory wysokociśnieniowe, frezowanie kulek lub mieszanie rotor-stator. Niektóre z najważniejszych zalet obejmują:

• Ulepszona redukcja wielkości cząstek: Dyspergatory ultradźwiękowe mogą skutecznie redukować rozmiary cząstek do zakresu nanometrów, co nie jest możliwe w przypadku wielu innych technologii mieszania. Sprawia to, że są one idealne do zastosowań, w których krytyczny jest drobny rozmiar cząstek.
• Szybsze miksowanie: Dyspergatory ultradźwiękowe mogą mieszać i dyspergować materiały szybciej niż wiele innych technologii, co oszczędza czas i zwiększa produktywność.
• Brak zanieczyszczeń: Dyspergatory ultradźwiękowe nie wymagają stosowania środków mielących, takich jak kulki lub perły, które zanieczyszczają dyspersję przez ścieranie.
• Lepsza jakość produktu: Dyspergatory ultradźwiękowe mogą wytwarzać bardziej jednorodne mieszaniny i zawiesiny, co skutkuje lepszą jakością i konsystencją produktu. Zwłaszcza w trybie przepływowym zawiesina dyspersyjna przechodzi przez strefę kawitacji ultradźwiękowej w wysoce kontrolowany sposób, zapewniając bardzo równomierną obróbkę.
• Niższe zużycie energii: Dyspergatory ultradźwiękowe zazwyczaj wymagają mniej energii niż inne technologie, co zmniejsza koszty operacyjne.
• Wszechstronność: Dyspergatory ultradźwiękowe mogą być wykorzystywane do szerokiego zakresu zastosowań, w tym homogenizacji, emulgowania, dyspersji i deaglomeracji. Mogą również obsługiwać różne materiały, w tym materiały ścierne, włókna, ciecze korozyjne, a nawet gazy.

Ze względu na te zalety procesu, a także niezawodność i prostą obsługę, dyspergatory ultradźwiękowe przewyższają alternatywne technologie mieszania, co czyni je popularnym wyborem do wielu zastosowań przemysłowych.

Dyspergowanie ultradźwiękowe i dezaglomeracja 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 Hielscher Ultrasonics mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy, dzięki czemu niezawodnie rozpraszają i mielą cząstki do skali nano. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Zalety dyspersji ultradźwiękowej: Łatwość skalowania

W odróżnieniu od innych technologii dyspergujących, ultradźwięki można łatwo skalować z laboratorium do wielkości produkcyjnej. Testy laboratoryjne pozwolą dokładnie dobrać wymagany rozmiar sprzętu. W przypadku zastosowania w skali końcowej wyniki procesu są identyczne z wynikami laboratoryjnymi.

Ultradźwięki: Wytrzymałe i łatwe w czyszczeniu

Moc ultradźwiękowa jest przekazywana do cieczy za pośrednictwem sonotrody. Jest to typowo obrotowa, symetryczna część wykonana z litego tytanu o jakości lotniczej. Jest to również jedyna ruchoma / wibrująca część zwilżana. Jest to jedyna część, która podlega zużyciu i można ją łatwo wymienić w ciągu kilku minut. Kołnierze odsprzęgające oscylacje umożliwiają montaż sonotrody w otwartych lub zamkniętych pojemnikach ciśnieniowych lub komorach przepływowych w dowolnej orientacji. Łożyska nie są potrzebne. Wszystkie inne zwilżane części są zazwyczaj wykonane ze stali nierdzewnej. Reaktory z komorą przepływową mają prostą geometrię i mogą być łatwo demontowane i czyszczone, np. poprzez płukanie i wycieranie. Nie ma w nich małych otworów ani ukrytych narożników.

Ultradźwiękowa myjka w miejscu (CIP)

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

---

---

Literatura / Referencje

• 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.