Dispersão e desaglomeração ultrassónicas

A dispersão e a desaglomeração de sólidos em líquidos são uma aplicação importante dos ultrassons de potência e dos sonicadores de sonda. A cavitação ultrassónica gera um cisalhamento extraordinariamente elevado que desfaz os aglomerados de partículas em partículas individuais dispersas. Devido às suas elevadas forças de cisalhamento concentradas localmente, a sonicação é ideal para produzir dispersões de dimensão micrométrica e nanométrica para experimentação, investigação e desenvolvimento e, naturalmente, para produção industrial.

A mistura de pós em líquidos é uma etapa comum na formulação de vários produtos, como tintas, tintas de impressão, cosméticos, bebidas, hidrogéis ou meios de polimento. As partículas individuais são mantidas unidas por forças de atração de diversas naturezas físicas e químicas, incluindo forças de van der Waals e a tensão superficial dos líquidos. Este efeito é mais forte em líquidos de maior viscosidade, como polímeros ou resinas. As forças de atração têm de ser superadas para desaglomerar e dispersar as partículas em meios líquidos. Leia abaixo por que razão os homogeneizadores ultrassónicos são os equipamentos de dispersão superiores para dispersar partículas de dimensão submicrométrica e nanométrica no laboratório e na indústria.

Dispersão ultrassónica de sólidos em líquidos

O princípio de funcionamento dos homogeneizadores ultrassónicos baseia-se no fenómeno da cavitação acústica. Sabe-se que a cavitação acústica cria forças físicas intensas, incluindo forças de cisalhamento muito fortes. A aplicação de tensões mecânicas desfaz os aglomerados de partículas. Além disso, o líquido é pressionado para os espaços entre as partículas.
Para a dispersão de pós em líquidos, estão disponíveis comercialmente várias tecnologias, como homogeneizadores de alta pressão, moinhos de esferas com agitação, moinhos de jatos de impacto e misturadores rotor-estator. Contudo, os dispersores ultrassónicos apresentam vantagens significativas. Leia abaixo como funciona a dispersão ultrassónica e quais são as suas vantagens.

 

O vídeo demonstra a dispersão ultrassónica de corante vermelho com o UP400St e uma sonda S24d de 22mm.

 

O princípio de funcionamento da cavitação e da dispersão ultrassónicas

Durante a sonicação, as ondas sonoras de alta frequência criam zonas 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 chama-se cavitação acústica. O colapso das bolhas gera ondas de choque de alta pressão, microjatos e forças de cisalhamento que podem fragmentar partículas maiores e aglomerados em partículas mais pequenas. Nos processos de dispersão ultrassónica, as próprias partículas presentes na dispersão funcionam como meio de moagem. Aceleradas pelas forças de cisalhamento da cavitação ultrassónica, as partículas colidem entre si e desfazem-se em minúsculos fragmentos. Como não se adicionam esferas ou pérolas à dispersão tratada por ultrassons, evitam-se completamente a separação e a limpeza dos meios de moagem, que são demoradas e exigem muita mão de obra, bem como a contaminação.
Isto torna a sonicação tão eficaz na dispersão e na desaglomeração de partículas, mesmo daquelas que são difíceis de fragmentar com outros métodos. Daqui resulta uma distribuição mais uniforme das partículas, que conduz a uma melhoria da qualidade e do desempenho do produto.
Além disso, a sonicação permite facilmente processar, dispersar e sintetizar nanomateriais como nanoesferas, nanocristais, nanofolhas, nanofibras, nanofios, partículas de núcleo e casca e outras estruturas complexas.
Adicionalmente, a sonicação pode ser realizada num período relativamente curto, o que constitui uma grande vantagem face a outras técnicas de dispersão.

Vantagens dos dispersores ultrassónicos face a tecnologias de mistura alternativas

Os dispersores ultrassónicos oferecem várias vantagens face a tecnologias de mistura alternativas, como homogeneizadores de alta pressão, moagem em moinhos de esferas ou mistura com rotor-estator. Algumas das vantagens mais relevantes incluem:

• Melhor redução do tamanho das partículas: Os dispersores ultrassónicos podem reduzir eficazmente o tamanho das partículas até à 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 crucial.
• Mistura mais rápida: Os dispersores ultrassónicos podem misturar e dispersar materiais mais rapidamente do que muitas outras tecnologias, o que poupa tempo e aumenta a produtividade.
• Sem contaminação: Os dispersores ultrassónicos não requerem a utilização de meios de moagem, como esferas ou pérolas, que contaminam a dispersão por abrasão.
• Melhor qualidade do produto: Os dispersores ultrassónicos podem produzir misturas e suspensões mais uniformes, resultando numa melhor qualidade e consistência do produto. Especialmente no modo de fluxo contínuo, a suspensão da dispersão passa pela zona de cavitação ultrassónica de forma altamente controlada, garantindo um tratamento muito uniforme.
• Menor consumo de energia: Os dispersores ultrassónicos requerem tipicamente menos energia do que outras tecnologias, o que reduz os custos operacionais.
• Versatilidade: Os dispersores ultrassónicos podem ser utilizados numa ampla gama de aplicações, incluindo homogeneização, emulsificação, dispersão e desaglomeração. Podem também processar uma variedade de materiais, incluindo materiais abrasivos, fibras, líquidos corrosivos e até gases.

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

Dispersão e desaglomeração ultrassónicas a qualquer escala

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

Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas, dispersando e moendo assim, de forma fiável, partículas até à escala nanométrica. É possível operar facilmente de forma contínua com amplitudes até 200µm, em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados.

A tabela abaixo indica a capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:

Dispersão ultrassónica de nanotubos de carbono – O sonicador Hielscher UP400S (400W) dispersa e desembaraça CNTs de forma rápida e eficiente, separando-os em nanotubos individuais.

Vantagens da dispersão ultrassónica: fácil aumento de escala

Ao contrário de outras tecnologias de dispersão, a sonicação pode ser facilmente ampliada da escala laboratorial para a escala de produção. Os ensaios laboratoriais permitirão selecionar com precisão a dimensão necessária do equipamento. Quando o processo é utilizado à escala final, os seus resultados são idênticos aos resultados laboratoriais.

Sonicadores: robustos e fáceis de limpar

A potência ultrassónica é transmitida ao líquido através de um sonotrodo. Este é tipicamente uma peça com simetria de revolução, maquinada a partir de titânio maciço de qualidade aeronáutica. Esta é também a única peça em contacto com o líquido que se move / vibra. É a única peça sujeita a desgaste e pode ser facilmente substituída em poucos minutos. As flanges de desacoplamento de oscilações permitem montar o sonotrodo em recipientes abertos ou fechados pressurizáveis ou em células de fluxo, em qualquer orientação. Não são necessários rolamentos. Todas as outras peças em contacto com o líquido são geralmente fabricadas em aço inoxidável. Os reatores de células de fluxo têm geometrias simples e podem ser facilmente desmontados e limpos, por exemplo, por lavagem com circulação de líquido e limpeza com um pano. Não existem pequenos orifícios nem cantos ocultos.

Limpeza ultrassónica no local

Os ultrassons são bem conhecidos pelas suas aplicações de limpeza, como a limpeza de superfícies e de peças. A intensidade ultrassónica utilizada nas aplicações de dispersão é muito superior à utilizada na limpeza ultrassónica típica. No que diz respeito à limpeza das peças do dispositivo ultrassónico que estão em contacto com o líquido, a potência ultrassónica pode ser utilizada para auxiliar a limpeza durante a lavagem com circulação de líquido e o enxaguamento, uma vez que a cavitação ultrassónica / acústica remove partículas e resíduos líquidos do sonotrodo e das paredes da célula de fluxo.

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Bibliografia / 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.