Dispersare și dezaglomerare cu ultrasunete

Dispersarea și dezaglomerarea solidelor în lichide reprezintă o aplicație importantă a ultrasunetelor de putere și a sonicatoarelor cu sondă. Cavitația ultrasonică generează o forfecare extraordinar de ridicată, care descompune aglomeratele de particule în particule individuale dispersate. Datorită forțelor de forfecare ridicate, concentrate local, sonicarea este ideală pentru producerea de dispersii de dimensiuni micronice și nanometrice pentru experimentare, cercetare și dezvoltare și, desigur, pentru producția industrială.

Amestecarea pulberilor în lichide este o etapă obișnuită în formularea diverselor produse, cum ar fi vopselele, cernelurile, cosmeticele, băuturile, hidrogelurile sau mediile de lustruire. Particulele individuale sunt menținute împreună de forțe de atracție de diverse naturi fizice și chimice, inclusiv forțele van der Waals și tensiunea superficială a lichidului. Acest efect este mai puternic în cazul lichidelor cu vâscozitate mai mare, cum ar fi polimerii sau rășinile. Forțele de atracție trebuie învinse pentru a dezaglomera și a dispersa particulele în mediul lichid. Citiți mai jos de ce omogenizatoarele cu ultrasunete reprezintă echipamentul de dispersare superior pentru dispersarea particulelor submicronice și nanometrice în laborator și în industrie.

Dispersarea cu ultrasunete a solidelor în lichide

Principiul de funcționare al omogenizatoarelor cu ultrasunete se bazează pe fenomenul cavitației acustice. Se știe că cavitația acustică generează forțe fizice intense, inclusiv forțe de forfecare foarte puternice. Aplicarea solicitării mecanice desface aglomeratele de particule. De asemenea, lichidul este presat între particule.
Pentru dispersarea pulberilor în lichide sunt disponibile comercial diverse tehnologii, cum ar fi omogenizatoarele de înaltă presiune, morile cu bile cu agitator, morile cu jet de impact și mixerele rotor-stator. Cu toate acestea, dispersoarele cu ultrasunete prezintă avantaje semnificative. Citiți mai jos cum funcționează dispersarea cu ultrasunete și care sunt avantajele dispersării cu ultrasunete.

Videoclipul demonstrează dispersarea ultrasonică a colorantului roșu cu ajutorul UP400St echipat cu o sondă S24d 22mm.

 

Principiul de funcționare al cavitației ultrasonice și al dispersării

În timpul sonicării, undele sonore de înaltă frecvență creează zone alternante de compresie și rarefiere în mediul lichid. Pe măsură ce undele sonore traversează mediul, ele creează bule care se dilată rapid și apoi implodează violent. Acest proces se numește cavitație acustică. Implozia bulelor generează unde de șoc de înaltă presiune, microjeturi și forțe de forfecare care pot descompune particulele și aglomeratele mai mari în particule mai mici. În procesele de dispersare cu ultrasunete, particulele însele din dispersie funcționează ca mediu de măcinare. Accelerate de forțele de forfecare ale cavitației ultrasonice, particulele se ciocnesc între ele și se sparg în fragmente minuscule. Deoarece în dispersia tratată cu ultrasunete nu se adaugă bile sau perle, separarea și curățarea mediilor de măcinare, care consumă mult timp și necesită multă muncă, precum și contaminarea sunt complet evitate.
Acest lucru face ca sonicarea să fie atât de eficientă în dispersarea și dezaglomerarea particulelor, chiar și a celor greu de descompus prin alte metode. Rezultatul este o distribuție mai uniformă a particulelor, ceea ce duce la o calitate și o performanță îmbunătățite ale produsului.
În plus, sonicarea poate manipula, dispersa și sintetiza cu ușurință nanomateriale precum nanosfere, nanocristale, nanofoițe, nanofibre, nanofire, particule miez-înveliș (core-shell) și alte structuri complexe.
Mai mult, sonicarea poate fi efectuată într-un interval de timp relativ scurt, ceea ce reprezintă un avantaj major față de alte tehnici de dispersare.

Avantajele dispersoarelor cu ultrasunete față de tehnologiile alternative de amestecare

Dispersoarele cu ultrasunete oferă mai multe avantaje față de tehnologiile alternative de amestecare, cum ar fi omogenizatoarele de înaltă presiune, măcinarea cu bile sau amestecarea rotor-stator. Printre cele mai importante avantaje se numără:

• Reducere îmbunătățită a dimensiunii particulelor: Dispersoarele cu ultrasunete pot reduce eficient dimensiunile particulelor până în domeniul nanometric, lucru care nu este posibil cu multe alte tehnologii de amestecare. Acest lucru le face ideale pentru aplicațiile în care o dimensiune fină a particulelor este critică.
• Amestecare mai rapidă: Dispersoarele cu ultrasunete pot amesteca și dispersa materialele mai rapid decât multe alte tehnologii, ceea ce economisește timp și crește productivitatea.
• Fără contaminare: Dispersoarele cu ultrasunete nu necesită utilizarea mediilor de măcinare, cum ar fi bilele sau perlele, care contaminează dispersia prin abraziune.
• Calitate mai bună a produsului: Dispersoarele cu ultrasunete pot produce amestecuri și suspensii mai uniforme, ceea ce duce la o calitate și o consecvență mai bune ale produsului. În special în modul de flux continuu, suspensia de dispersie trece prin zona de cavitație ultrasonică într-un mod foarte controlat, asigurând un tratament foarte uniform.
• Consum mai redus de energie: Dispersoarele cu ultrasunete necesită de obicei mai puțină energie decât alte tehnologii, ceea ce reduce costurile de operare.
• Versatilitate: Dispersoarele cu ultrasunete pot fi utilizate pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv omogenizare, emulsionare, dispersare și dezaglomerare. De asemenea, pot procesa o varietate de materiale, inclusiv materiale abrazive, fibre, lichide corozive și chiar gaze.

Datorită acestor avantaje de proces, precum și fiabilității și operării simple, dispersoarele cu ultrasunete depășesc tehnologiile alternative de amestecare, ceea ce le face o alegere populară pentru multe aplicații industriale.

Dispersare și dezaglomerare cu ultrasunete la orice scară

Hielscher oferă dispozitive cu ultrasunete pentru dispersarea și dezaglomerarea oricărui volum, pentru procesare în șarje sau în linie. Dispozitivele cu ultrasunete de laborator sunt utilizate pentru volume de la 1,5mL până la aprox. 2L. Dispozitivele industriale cu ultrasunete sunt utilizate în dezvoltarea proceselor și în producție pentru șarje de la 0,5 până la aprox. 2000L sau debite de la 0,1L până la 20m³ pe oră.

Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte mari, dispersând și măcinând astfel în mod fiabil particulele până la scară nanometrică. Amplitudini de până la 200µm pot fi rulate cu ușurință continuu, în regim 24/7. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode cu ultrasunete personalizate.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Dispersarea cu ultrasunete a nanotuburilor de carbon – Sonicatorul Hielscher UP400S (400W) dispersează și separă rapid și eficient aglomerările de CNT în nanotuburi individuale.

Avantajele dispersării cu ultrasunete: scalare ușoară

Spre deosebire de alte tehnologii de dispersare, ultrasonicarea poate fi scalată cu ușurință de la laborator la dimensiunea de producție. Testele de laborator vor permite selectarea precisă a dimensiunii necesare a echipamentului. La utilizarea la scară finală, rezultatele procesului sunt identice cu rezultatele de laborator.

Ultrasonicatoare: robuste și ușor de curățat

Puterea ultrasonică este transmisă în lichid prin intermediul unei sonotrode. Aceasta este o piesă de obicei cu simetrie de rotație, prelucrată din titan masiv de calitate aeronautică. Este, de asemenea, singura piesă mobilă / vibrantă aflată în contact cu lichidul. Este singura piesă supusă uzurii și poate fi înlocuită cu ușurință în câteva minute. Flanșele de decuplare a oscilațiilor permit montarea sonotrodei în recipiente deschise sau închise, presurizabile, sau în celule de flux, în orice orientare. Nu sunt necesari rulmenți. Toate celelalte piese în contact cu lichidul sunt fabricate, în general, din oțel inoxidabil. Reactoarele cu celulă de flux au geometrii simple și pot fi dezasamblate și curățate cu ușurință, de exemplu prin spălare și ștergere. Nu există orificii mici sau colțuri ascunse.

Curățare cu ultrasunete in situ

Ultrasunetele sunt bine cunoscute pentru aplicațiile lor de curățare, cum ar fi curățarea suprafețelor și a pieselor. Intensitatea ultrasonică utilizată pentru aplicațiile de dispersare este mult mai mare decât cea utilizată pentru curățarea tipică cu ultrasunete. Când vine vorba de curățarea pieselor dispozitivului cu ultrasunete aflate în contact cu lichidul, puterea ultrasonică poate fi utilizată pentru a asista curățarea în timpul spălării și clătirii, deoarece cavitația ultrasonică / acustică îndepărtează particulele și reziduurile lichide de pe sonotrodă și de pe pereții celulei de flux.

---

---

Literatură / Referințe

• 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.