Ultradźwiękowe mieszalniki do pracy okresowej o wysokich siłach ścinających w skali laboratoryjnej i produkcyjnej

Zwilżanie, hydratacja, homogenizacja, rozdrabnianie, dyspergowanie, emulgowanie i rozpuszczanie to typowe zastosowania ultradźwiękowych mieszalników Hielscher do pracy okresowej o wysokich siłach ścinających. Ultradźwiękowe mieszanie partiami odbywa się z dużą szybkością i zapewnia niezawodne, odtwarzalne wyniki oraz doskonałe rezultaty procesu w skali laboratoryjnej, stanowiskowej i pełnej produkcji komercyjnej. Wielofunkcyjne homogenizatory Hielscher do pracy okresowej umożliwiają szybkie mieszanie jednorodnych mieszanin ciało stałe/ciecz i ciecz/ciecz, zapewniając najwyższą jakość produktu.

Szybkie ultradźwiękowe mieszanie partiami: intensyfikacja procesu za pomocą wysokich sił ścinających

• Szybkie dyspergowanie: Natychmiastowa deaglomeracja materiałów submikronowych i nanomateriałów.
• Wszechstronne przetwarzanie: Idealne do mediów o wysokiej lepkości, past i materiałów ściernych.
• Liniowe skalowanie: W pełni odtwarzalne wyniki od skali laboratoryjnej po pełną skalę produkcyjną.
• Energooszczędność: Niższe zużycie energii niż w przypadku konkurencyjnych technologii.

Szybkie mieszanie partiami z wykorzystaniem wysokich sił ścinających generowanych przez ultradźwięki

Ultradźwiękowe mieszanie partiami przy wysokich siłach ścinających stanowi znaczący postęp w stosunku do konwencjonalnych technologii, takich jak mieszalniki rotor–stator, mieszalniki strumieniowe i systemy UltraTurrax, oferując wyższą efektywność procesu i jakość produktu. Podczas gdy tradycyjne metody opierają się na ścinaniu mechanicznym, mieszalniki ultradźwiękowe wykorzystują fale dźwiękowe o wysokiej energii do wywoływania kawitacji akustycznej, tworząc wyjątkowe środowisko mikromieszania charakteryzujące się ekstremalnymi warunkami lokalnymi. Zjawisko to generuje fale uderzeniowe i strumienie cieczy o dużej prędkości, sięgającej 280 m/s, które zapewniają intensywne mikromieszanie niezbędne do szybkiego zwilżania proszków, natychmiastowej deaglomeracji cząstek submikronowych i nanocząstek oraz tworzenia idealnie jednorodnych emulsji.
Poza tymi zaletami mikromieszania systemy ultradźwiękowe są wyraźnie bardziej energooszczędne, z łatwością przetwarzają materiały ścierne i umożliwiają szybkie czyszczenie bez powodowania uszkodzeń (CIP/SIP), co czyni je idealnym wyborem do wymagających zastosowań przemysłowych.

Kto powinien stosować ultradźwiękowe mieszanie partiami przy wysokich siłach ścinających?

Ultradźwiękowe mieszanie partiami przy wysokich siłach ścinających jest idealne dla producentów, specjalistów opracowujących formulacje i zespołów badawczo-rozwojowych w branżach, w których precyzja, stałość wyników i szybkie dyspergowanie są bezwzględnie wymagane. Jest szczególnie cenne dla firm przetwarzających nanomateriały i materiały submikronowe, pasty o wysokiej lepkości, zawiesiny o właściwościach ściernych lub złożone formulacje ciało stałe–ciecz i ciecz–ciecz. Branże takie jak kosmetyka, farmacja, materiały zaawansowane, żywność i napoje, farby i powłoki, chemikalia specjalistyczne oraz nanotechnologia polegają na tej technologii, aby uzyskać natychmiastowe zwilżenie proszków, jednorodne emulsje i powtarzalną redukcję wielkości cząstek bez degradacji termicznej. Jeśli Twój proces wymaga odtwarzalnych wyników, całkowicie liniowego skalowania od laboratorium do produkcji i niższego zużycia energii w porównaniu z tradycyjnymi systemami rotor–stator, ultradźwiękowe mieszanie partiami przy wysokich siłach ścinających zostało zaprojektowane tak, aby dokładnie spełniać Twoje wymagania.

Kawitacja akustyczna – zasada działania ultradźwiękowych sił ścinających i mieszania

Gdy fale ultradźwiękowe o wysokiej energii są sprzęgane z cieczami i zawiesinami, naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia (np. 20 000 cykli na sekundę przy 20kHz) generują w cieczy pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie. Pęcherzyki te rosną przez kilka cykli, aż gwałtownie się zapadają, ponieważ nie mogą pochłonąć więcej energii. Podczas implozji pęcherzyków powstają lokalnie ekstremalne warunki: temperatury do 5 000K, ciśnienia do 2 000atm i strumienie cieczy o prędkości do 280m/s. Zjawisko to określa się mianem kawitacji. Kawitacja ultradźwiękowa jest z powodzeniem stosowana w różnorodnych procesach mieszania, mielenia i rozdrabniania, np. do przetwarzania koloidów, proszków, płynów, olejów, smarów, żywic, żywic epoksydowych, past pigmentowych, tuszów, farb, silikonów, kremów, żeli, polimerów, uretanów i wielu innych materiałów.
 

Mieszanie ultradźwiękowe opiera się na kawitacji akustycznej i jej hydrodynamicznych siłach ścinających.

Dlaczego ultradźwięki? – Dla pełnej kontroli procesu

Mieszanie ultradźwiękowe umożliwia precyzyjną kontrolę wszystkich ważnych parametrów procesu. Ma to kluczowe znaczenie dla uzyskania optymalnych wyników procesu przy jednoczesnej pracy z najwyższą efektywnością.

• Amplituda ultradźwięków:

Przemieszczenie poziomych powierzchni sonotrody (rogu ultradźwiękowego/sondy) można dostosować do wymagań procesu poprzez ustawienie mocy urządzenia ultradźwiękowego, dobór sonotrody i zastosowanie rogu wzmacniającego.

• Ciśnienie:

Stosowanie ciśnienia podczas sonikacji intensyfikuje proces i jest określane jako manosonikacja (MS). Kawitacja ultradźwiękowa przy podwyższonym ciśnieniu staje się intensywniejsza i gwałtowniejsza. Dlatego Hielscher oferuje zamknięte reaktory okresowe przystosowane do pracy pod ciśnieniem.

• Czas sonikacji:

Ogólnie rzecz biorąc, im dłuższy czas sonikacji, tym większy postęp procesu, np. redukcji wielkości cząstek, dyspergowania itp. – pod warunkiem zastosowania natężenia wystarczającego do oddziaływania na przetwarzane medium.

• Temperatura:

Przetwarzanie ultradźwiękowe jest nietermiczną, mechaniczną techniką przetwarzania. Jednak zgodnie z prawem termodynamiki energia sprzężona z materią ostatecznie zawsze przekształca się w ciepło. Niemniej doskonała efektywność energetyczna sonikatorów Hielscher zapewnia przekształcenie do 90% energii pobieranej z gniazdka elektrycznego w fale ultradźwiękowe i ich sprzężenie z przetwarzanym medium.

• Lepkość:

Lepkość przetwarzanego medium jest ważnym czynnikiem w przetwarzaniu ultradźwiękowym. W zastosowaniach takich jak redukcja wielkości cząstek, mielenie i dyspergowanie zderzenia między cząstkami wywołane przez kawitacyjne fale uderzeniowe są jednym z głównych efektów procesu powodujących rozpad cząstek, dlatego wysokie stężenie cząstek jest korzystne.

Zaprojektujmy Twoje idealne rozwiązanie do mieszania!

Aby określić optymalne warunki procesu (= najlepszy wynik przy minimalnym wymaganym nakładzie energii), należy ustalić wymienione powyżej parametry zgodnie z docelowym celem procesu.
Badania wykonalności i optymalizację procesu można łatwo przeprowadzić w skali laboratoryjnej i stanowiskowej. Wszystkie uzyskane wyniki można dokładnie odtworzyć i liniowo przeskalować do skali produkcyjnej. Hielscher Ultrasonics oferuje profesjonalne doradztwo i w pełni wyposażone laboratorium procesowe, w którym możemy zoptymalizować proces wspólnie z Tobą lub dla Ciebie!
Hielscher jest Twoim ekspertem w zakresie ultradźwiękowych rozwiązań procesowych. Skontaktuj się z nami już dziś – chętnie polecimy odpowiednie urządzenie, które spełni potrzeby Twojego zastosowania!

Literatura / źródła

• Han N.S., Basri M., Abd Rahman M.B. Abd Rahman R.N., Salleh A.B., Ismail Z. (2012): Preparation of emulsions by rotor-stator homogenizer and ultrasonic cavitation for the cosmeceutical industry. Journal of Cosmetic Science Sep-Oct; 63(5), 2012. 333-44.
• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment ; Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Marija Ćosić, Antonija Čelan, Ivana Crnogorac, Ante Bilušić (2025): The effects of impeller diameter in sonicated and silent systems on crystallisation of borax decahydrate. Chemical Engineering Research and Design, Volume 223, 2025. 706-716.