Dispersão e desaglomeração ultra-sônica

A dispersão e desaglomeração de sólidos em líquidos é uma importante aplicação do ultrassom de potência e dos sonicators. A cavitação ultra-sônica gera 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 mircão e nano 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 tinta, tinta, 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 líquida. Este 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 submicro e nanométricas em laboratório e na indústria.

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Ultrasonicator do tipo sonda UP400St para dispersão de nanopartículas em uma suspensão aquosa estável.

ultrassônico UP400St para a preparação de dispersões de nanopartículas em lotes.

Dispersão ultra-sônica de sólidos em líquidos

O princípio de funcionamento dos homogeneizadores ultra-sônicos 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 tensão mecânica quebra 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 agitadoras, moinhos de jato de impacto e rotor-estator-misturador estão comercialmente disponíveis. No entanto, os dispersores ultra-sônicos têm vantagens significativas. Leia abaixo como funciona a dispersão ultrassônica e quais são as vantagens da dispersão ultrassônica.

 

O vídeo está demonstrando dispersão ultrassônica da cor vermelha usando o UP400St com uma sonda S24d 22mm.

Dispersão de cor vermelha ultrassônica usando o UP400St

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O princípio de funcionamento da cavitação ultra-sônica e dispersão

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, em seguida, colapsam violentamente. Este 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 ultra-sônica, as próprias partículas na dispersão funcionam como meio de fresagem. Aceleradas pelas forças de cisalhamento da cavitação ultra-sônica, as partículas colidem umas com as outras e se quebram em pequenos fragmentos. Uma vez que nenhuma conta ou pérola é adicionada 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 das 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 núcleo-casca 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 ultra-sônicos sobre as tecnologias alternativas de mistura

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

  • Redução melhorada do tamanho das partículas: Os dispersores ultra-sônicos 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.
  • Mistura mais rápida: Os dispersores ultra-sônicos podem misturar e dispersar materiais mais rapidamente do que muitas outras tecnologias, o que economiza tempo e aumenta a produtividade.
  • Sem contaminação: Os dispersores ultra-sônicos não exigem o uso de meios de moagem auch como contas ou pérolas, que contaminam a dispersão por abrasão.
  • Melhor qualidade do produto: Os dispersores ultra-sônicos 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 ultra-sônica de maneira altamente controlada, garantindo um tratamento muito uniforme.
  • Menor consumo de energia: Os dispersores ultra-sônicos normalmente exigem menos energia do que outras tecnologias, o que reduz os custos operacionais.
  • Versatilidade: Os dispersores ultra-sônicos 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 de processo, bem como confiabilidade e operação simples, os dispersores ultrassônicos superam as tecnologias de mistura alternativas, tornando-os uma escolha popular para muitas aplicações industriais.

Homogeneizador ultrassônico UIP1000hdT para dispersão de nanofiladores em vernizes.

Ultrassônico UIP1000hdT (1000 watts) dispersão de nanofiladores em vernizes


Os nanofluidos sintetizados por ultrassom são refrigerantes eficientes e líquidos trocadores de calor. Os nanomateriais termocondutores aumentam significativamente a transferência de calor e a capacidade de dissipação de calor. A sonicação está bem estabelecida na síntese e funcionalização de nanopartículas termocondutoras, bem como na produção de nanofluidos estáveis de alto desempenho para aplicações de resfriamento.

Dispersão de CNTs em Polietilenoglicol (PEG)

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A imagem mostra um resultado típico da dispersão ultrassônica da sílica fumegante na água.

Dispersão ultra-sônica de sílica pirogênica em água: Antes da ultrasonicação, o tamanho da partícula de sílica aglomerada é superior a 200 mícrons (D50). Após a dispersão ultra-sônica da sílica pirogênica, a maioria das partículas foi reduzida para menos de 200 nanômetros.

Dispersão ultra-sônica e desaglomeração em qualquer escala

A Hielscher oferece dispositivos ultrassônicos para a dispersão e desaglomeração de qualquer volume para processamento em lote ou em linha. Dispositivos de laboratório ultra-sônicos são usados para volumes de 1,5mL a aprox. 2L. Os dispositivos ultra-sônicos industriais são usados no desenvolvimento do processo e produção 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 fresando partículas de forma confiável em nanoescala. Amplitudes de até 200μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodos ultrassônicos personalizados estão disponíveis.

Os ultrasonicators de alto desempenho são sistemas de mistura em linha confiáveis e altamente eficientes para a produção de nanodispersões, por exemplo, nanofluidos termocondutores.

Sistema de ultrassom de potência industrial MultiSonoReactor para dispersão industrial em linha: Ultrasonicators de alto desempenho são sistemas de mistura em linha confiáveis e altamente eficientes para a produção de nanodispersões.

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A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

Volume batch Quociente de vazão Dispositivos Recomendados
00,5 a 1,5 mL n / D. VialTweeter
1 a 500mL 10 a 200 mL / min UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL / min UP200Ht, UP400St
0.1 a 20L 00,2 a 4 L / min UIP2000hdT
10 a 100L 2 de 10L / min UIP4000hdT
15 a 150L 3 a 15L/min UIP6000hdT
n / D. 10 a 100L / min UIP16000
n / D. maior aglomerado de UIP16000

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Dispersão ultrassônica de nanotubos de carbono - O ultrassônico Hielscher UP400S (400W) dispersa e destangles CNTs de forma rápida e eficiente em nanotubos únicos.

Dispersão de nanotubos de carbono na água usando o UP400S

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Homogeneizador ultrassônico UIP1000hdT para dispersão de nanofiladores em vernizes.

Ultrassônico UIP1000hdT (1000 watts) dispersão de nanofiladores em vernizes

Vantagens da dispersão ultra-sônica: Fácil de aumentar a escala

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

Ultrassonicators: Robustos e fáceis de limpar

O poder ultra-sônico é transmitido para o líquido através de um sonotrodo. Esta é uma peça simétrica tipicamente rotativa, que é usinada a partir de titânio sólido de qualidade de aeronave. 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. 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 peças molhadas são geralmente feitas de aço inoxidável. Os reatores de células de fluxo têm geometrias simples e podem ser facilmente desmontados e limpos, por exemplo, por lavagem e limpeza. Não há pequenos orifícios ou cantos escondidos.

Cleaner Ultrasonic in Place

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



Literatura / Referências

Homogeneizadores ultra-sônicos, como o industrial UIP6000hdT, são usados para aplicações de dispersão de alto desempenho.

Homogeneizador ultra-sônico UIP6000hdT para processamento industrial em linha de grandes rendimentos.


Ultrassônicos de alto desempenho! A gama de produtos da Hielscher abrange todo o espectro desde o ultrassônico de laboratório compacto sobre unidades de bancada até sistemas ultrassônicos industriais completos.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de Laboratório para tamanho industrial.


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