Dispersão e desaglomeração ultrassônica

A dispersão e desaglomeração de sólidos em líquidos é uma aplicação importante do ultrassom de potência e sonicadores do tipo sonda. A cavitação ultrassônica gera um cisalhamento extraordinariamente alto que quebra aglomerados de partículas em partículas dispersas únicas. Devido às suas altas forças de cisalhamento focadas localmente, a sonicação é ideal para produzir dispersões de tamanho mircon e nanométrico para experimentação, pesquisa e desenvolvimento e, claro, para produção industrial.

A mistura de pós em líquidos é uma etapa comum na formulação de vários produtos, como tintas, 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 forças de van der Waals e tensão superficial do líquido. Esse efeito é mais forte para líquidos de maior viscosidade, como polímeros ou resinas. As forças de atração devem ser superadas para desaglomerar e dispersar as partículas em meios líquidos. Leia abaixo por que os homogeneizadores ultrassônicos são o equipamento de dispersão superior para a dispersão de partículas submicrônicas e nanométricas em laboratório e na indústria.

Dispersão ultrassônica de sólidos em líquidos

O princípio de funcionamento dos homogeneizadores ultrassônicos é baseado no fenômeno da cavitação acústica. A cavitação acústica é conhecida por criar forças físicas intensas, incluindo forças de cisalhamento muito fortes. A aplicação de estresse mecânico separa os aglomerados de partículas. Além disso, o líquido é pressionado entre as partículas.
Enquanto para a dispersão de pós em líquidos, várias tecnologias, como homogeneizadores de alta pressão, moinhos de esferas agitadores, moinhos a jato de impacto e rotor-estator-misturador estão disponíveis comercialmente. No entanto, os dispersores ultrassônicos têm vantagens significativas. Leia abaixo como funciona a dispersão ultrassônica e quais são as vantagens da dispersão ultrassônica.

 

 

O princípio de funcionamento da cavitação e dispersão ultrassônica

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 passam pelo meio, elas criam bolhas que se expandem rapidamente e depois colapsam violentamente. Esse processo é chamado de cavitação acústica. O colapso das bolhas gera ondas de choque de alta pressão, microjatos e forças de cisalhamento que podem quebrar partículas maiores e aglomerados em partículas menores. Nos processos de dispersão ultrassônica, as próprias partículas na dispersão funcionam como meio de moagem. Aceleradas pelas forças de cisalhamento da cavitação ultrassônica, as partículas colidem umas com as outras e se quebram em pequenos fragmentos. Como não são adicionados grânulos ou pérolas à dispersão tratada por ultrassom, a separação e limpeza demoradas e trabalhosas dos meios de moagem, bem como a contaminação, são completamente evitadas.
Isso torna a sonicação tão eficaz na dispersão e desaglomeração de partículas, mesmo aquelas que são difíceis de quebrar com outros métodos. Isso resulta em uma distribuição mais uniforme de partículas, levando a uma melhor qualidade e desempenho do produto.
Além disso, a sonicação pode facilmente manipular, dispersar e sintetizar nanomateriais, como nanoesferas, nanocristais, nanofolhas, nanofibras, nanofios, partículas de casca de núcleo e outras estruturas complexas.
Além disso, a sonicação pode ser realizada em um período de tempo relativamente curto, o que é uma grande vantagem sobre outras técnicas de dispersão.

Vantagens dos dispersores ultrassônicos sobre as tecnologias alternativas de mistura

Os dispersores ultrassônicos oferecem várias vantagens sobre as tecnologias alternativas de mistura, como homogeneizadores de alta pressão, fresagem de esferas ou mistura rotor-estator. Algumas das vantagens mais proeminentes incluem:

• Redução aprimorada do tamanho das partículas: Os dispersores ultrassônicos podem efetivamente reduzir o tamanho das partículas para a faixa nanométrica, o que não é possível com muitas outras tecnologias de mistura. Isso os torna ideais para aplicações em que um tamanho de partícula fina é crítico.
• Mixagem mais rápida: Os dispersores ultrassônicos podem misturar e dispersar materiais mais rapidamente do que muitas outras tecnologias, o que economiza tempo e aumenta a produtividade.
• Sem contaminação: Os dispersores ultrassônicos não requerem o uso de meios de moagem como grânulos ou pérolas, que contaminam a dispersão por abrasão.
• Melhor qualidade do produto: Os dispersores ultrassônicos podem produzir misturas e suspensões mais uniformes, resultando em melhor qualidade e consistência do produto. Especialmente no modo de fluxo, a pasta de dispersão passa pela zona de cavitação ultrassônica de maneira altamente controlada, garantindo um tratamento muito uniforme.
• Menor consumo de energia: Os dispersores ultrassônicos normalmente requerem menos energia do que outras tecnologias, o que reduz os custos operacionais.
• Versatilidade: Os dispersores ultrassônicos podem ser usados para uma ampla gama de aplicações, incluindo homogeneização, emulsificação, dispersão e desaglomeração. Eles também podem lidar com uma variedade de materiais, incluindo materiais abrasivos, fibras, líquidos corrosivos e até gases.

Devido a essas vantagens do processo, bem como à confiabilidade e operação simples, os dispersores ultrassônicos superam as tecnologias alternativas de mistura, tornando-os uma escolha popular para muitas aplicações industriais.

Dispersão e desaglomeração ultrassônica em qualquer escala

A Hielscher oferece dispositivos ultrassônicos para a dispersão e desaglomeração de qualquer volume para processamento em lote ou em linha. Os dispositivos de laboratório ultrassônicos são usados para volumes de 1,5 mL a aprox. 2 L. Dispositivos ultrassônicos industriais são usados no desenvolvimento e produção de processos para lotes de 0,5 a aproximadamente 2000L ou vazões de 0,1L a 20m³ por hora.

Os processadores ultrassônicos industriais Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito altas, dispersando e moendo partículas de forma confiável em nanoescala. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados.

A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:

Vantagens da dispersão ultrassônica: Fácil de escalar

Diferente de outras tecnologias de dispersão, a ultrassonografia pode ser ampliada facilmente do laboratório para o tamanho da produção. Os testes de laboratório permitirão selecionar o tamanho do equipamento necessário com precisão. Quando usado na escala final, os resultados do processo são idênticos aos resultados do laboratório.

Ultrassônicos: robustos e fáceis de limpar

A potência ultrassônica é transmitida para o líquido por meio de um sonotrodo. Esta é uma peça simétrica tipicamente rotativa, que é usinada a partir de titânio sólido de qualidade aeronáutica. Esta também é a única parte molhada em movimento / vibração. É a única peça que está sujeita a desgaste e pode ser facilmente substituída em minutos. Os flanges de desacoplamento de oscilação permitem montar o sonotrodo em recipientes pressurizáveis abertos ou fechados ou células de fluxo em qualquer orientação. Não são necessários rolamentos. Todas as outras partes molhadas são geralmente feitas de aço inoxidável. Os reatores de célula de fluxo têm geometrias simples e podem ser facilmente desmontados e limpos, por exemplo, lavando e limpando. Não há pequenos orifícios ou cantos escondidos.

Limpador ultrassônico no local

O ultrassom é bem conhecido por suas aplicações de limpeza, como limpeza de superfícies, peças. A intensidade ultrassônica usada para aplicações de dispersão é muito maior do que para a limpeza ultrassônica típica. Quando se trata da limpeza das partes molhadas do dispositivo ultrassônico, a potência ultrassônica pode ser usada para auxiliar na limpeza durante a lavagem e o enxágue, pois a cavitação ultrassônica / acústica remove partículas e resíduos líquidos do sonotrodo e das paredes das células de fluxo.

---

---

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.