Dispersão e desaglomeração por ultra-sons

A dispersão e desaglomeração de sólidos em líquidos é uma aplicação importante dos ultra-sons de potência e dos sonicadores do tipo sonda. A cavitação ultra-sónica gera um cisalhamento extraordinariamente elevado que quebra os aglomerados de partículas em partículas individuais dispersas. Devido às suas elevadas forças de cisalhamento localmente concentradas, a sonicação é ideal para produzir dispersões de tamanho mircon e nano para experimentação, investigação e desenvolvimento e, claro, para a produção industrial.

A mistura de pós em líquidos é um passo comum na formulação de vários produtos, tais como tintas, cosméticos, bebidas, hidrogéis ou meios de polimento. As partículas individuais são mantidas juntas por forças de atração de várias naturezas físicas e químicas, incluindo as forças de van der Waals e a tensão superficial do líquido. Este efeito é mais forte nos líquidos de maior viscosidade, como os polímeros ou as resinas. As forças de atração têm de ser ultrapassadas para desaglomerar e dispersar as partículas no meio líquido. Leia abaixo porque é que os homogeneizadores ultra-sónicos são o equipamento de dispersão superior para a dispersão de partículas de tamanho submicrónico e nanométrico no laboratório e na indústria.

Dispersão ultra-sónica de sólidos em líquidos

O princípio de funcionamento dos homogeneizadores ultra-sónicos baseia-se no fenómeno da cavitação acústica. A cavitação acústica é conhecida por criar forças físicas intensas, incluindo forças de cisalhamento muito fortes. A aplicação de tensão mecânica quebra os aglomerados de partículas. Além disso, o líquido é pressionado entre as partículas.
Para a dispersão de pós em líquidos, estão comercialmente disponíveis várias tecnologias, tais como homogeneizadores de alta pressão, moinhos de esferas com agitador, moinhos de jato impulsivo e misturadores rotor-estator. No entanto, os dispersores ultra-sónicos apresentam vantagens significativas. Leia abaixo como funciona a dispersão ultra-sónica e quais são as vantagens da dispersão ultra-sónica.

 

 

O princípio de funcionamento da cavitação e dispersão ultra-sónica

Durante a sonicação, as ondas sonoras de alta frequência criam áreas alternadas de compressão e rarefação no meio líquido. À medida que as ondas sonoras atravessam o meio, criam bolhas que se expandem rapidamente e depois colapsam violentamente. Este processo é designado por cavitação acústica. O colapso das bolhas gera ondas de choque de alta pressão, microjactos e forças de cisalhamento que podem quebrar partículas maiores e aglomerados em partículas mais pequenas. Nos processos de dispersão por ultra-sons, as próprias partículas na dispersão funcionam como meio de moagem. Aceleradas pelas forças de cisalhamento da cavitação ultra-sónica, as partículas colidem umas com as outras e desfazem-se em pequenos fragmentos. Uma vez que não são adicionados grânulos ou pérolas à dispersão tratada por ultra-sons, a separação e limpeza demoradas e trabalhosas dos meios de moagem, bem como a contaminação, são completamente evitadas.
Isto torna a sonicação tão eficaz na dispersão e desaglomeração de partículas, mesmo aquelas que são difíceis de quebrar com outros métodos. Isto resulta numa distribuição mais uniforme das partículas, levando a uma melhor qualidade e desempenho do produto.
Além disso, a sonicação pode facilmente manipular, dispersar e sintetizar nanomateriais, tais como nanoesferas, nanocristais, nanofolhas, nanofibras, nanofios, partículas core-shell e outras estruturas complexas.
Além disso, a sonicação pode ser realizada num período de tempo relativamente curto, o que constitui uma grande vantagem em relação a outras técnicas de dispersão.

Vantagens dos dispersores ultra-sónicos em relação às tecnologias de mistura alternativas

Os dispersores ultra-sónicos oferecem várias vantagens em relação às tecnologias de mistura alternativas, como os homogeneizadores de alta pressão, a moagem de esferas ou a mistura rotor-estator. Algumas das vantagens mais proeminentes incluem:

• Redução melhorada do tamanho das partículas: Os dispersores ultra-sónicos podem reduzir eficazmente os tamanhos das partículas para a gama nanométrica, o que não é possível com muitas outras tecnologias de mistura. Isto torna-os ideais para aplicações em que um tamanho de partícula fino é crítico.
• Mistura mais rápida: Os dispersores ultra-sónicos podem misturar e dispersar materiais mais rapidamente do que muitas outras tecnologias, o que poupa tempo e aumenta a produtividade.
• Sem contaminação: Os dispersores ultra-sónicos não requerem a utilização de meios de moagem, tais como esferas ou pérolas, que contaminam a dispersão por abrasão.
• Melhor qualidade do produto: Os dispersores ultra-sónicos podem produzir misturas e suspensões mais uniformes, resultando numa melhor qualidade e consistência do produto. Especialmente no modo de fluxo, a pasta de dispersão passa pela zona de cavitação ultra-sónica de uma forma altamente controlada, assegurando um tratamento muito uniforme.
• Menor consumo de energia: Os dispersores ultra-sónicos requerem normalmente menos energia do que outras tecnologias, o que reduz os custos de funcionamento.
• Versatilidade: Os dispersores ultra-sónicos podem ser utilizados para uma vasta gama de aplicações, incluindo homogeneização, emulsificação, dispersão e desaglomeração. Também podem lidar com uma variedade de materiais, incluindo materiais abrasivos, fibras, líquidos corrosivos e até gases.

Devido a estas vantagens do processo, bem como à fiabilidade e simplicidade de funcionamento, os dispersores ultra-sónicos superam as tecnologias de mistura alternativas, tornando-os uma escolha popular para muitas aplicações industriais.

Dispersão e desaglomeração por ultra-sons em qualquer escala

A Hielscher oferece dispositivos de ultra-sons para a dispersão e desaglomeração de qualquer volume para processamento em lote ou em linha. Os dispositivos ultra-sónicos de laboratório são utilizados para volumes de 1,5 ml a cerca de 2 litros. Dispositivos ultra-sônicos industriais são usados no desenvolvimento de processos e produção para lotes de 0,5 a aproximadamente 2000L ou taxas de fluxo de 0,1L a 20m³ por hora.

Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas, dispersando e moendo de forma fiável partículas à escala nanométrica. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodos ultra-sônicos personalizados estão disponíveis.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:

Vantagens da Dispersão Ultrassónica: Fácil de aumentar a escala

Ao contrário de outras tecnologias de dispersão, a ultra-sons pode ser aumentada facilmente do laboratório para a produção. Os testes laboratoriais permitirão selecionar com precisão a dimensão do equipamento necessário. Quando utilizada à escala final, os resultados do processo são idênticos aos resultados laboratoriais.

Ultrasonicadores: Robustos e fáceis de limpar

A energia ultra-sónica é transmitida para o líquido através de um sonotrodo. Esta é uma peça simétrica tipicamente rotativa, que é maquinada a partir de titânio sólido de qualidade aeronáutica. Esta é também a única parte molhada em movimento/vibração. É a única peça que está sujeita a desgaste e pode ser facilmente substituída em poucos minutos. As flanges de desacoplamento de oscilação permitem a montagem do sonotrodo em recipientes pressurizáveis abertos ou fechados ou em células de fluxo em qualquer orientação. Não são necessários rolamentos. Todas as outras partes molhadas são geralmente feitas de aço inoxidável. Os reactores de células de fluxo têm geometrias simples e podem ser facilmente desmontados e limpos, por exemplo, por lavagem e limpeza. Não existem pequenos orifícios ou cantos escondidos.

Máquina de limpeza por ultra-sons no local

Os ultra-sons são bem conhecidos pelas suas aplicações de limpeza, tais como a limpeza de superfícies e peças. A intensidade ultra-sónica utilizada para aplicações de dispersão é muito mais elevada do que para a limpeza ultra-sónica típica. Quando se trata da limpeza das partes molhadas do dispositivo ultrassónico, a potência ultra-sónica pode ser utilizada para auxiliar a limpeza durante a lavagem e o enxaguamento, uma vez que a cavitação ultra-sónica/acústica remove partículas e resíduos líquidos do sonotrodo e das paredes da célula de fluxo.

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Literatura / Referências

• 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.