Dispersie cu ultrasunete și dezaglomerare

Dispersarea și dezaglomerarea solidelor în lichide este o aplicație importantă a ultrasunetelor de putere și a sonicatorilor de tip sondă. Cavitația cu ultrasunete generează o forfecare extraordinar de mare care rupe aglomeratele de particule în particule dispersate unice. Datorită forțelor sale de forfecare ridicate concentrate local, sonicare este ideal pentru a produce mircon- și nano-dispersii dimensionate pentru experimentare, cercetare și dezvoltare, și, desigur, pentru producția industrială.

Amestecarea pulberilor în lichide este un pas obișnuit în formularea diferitelor produse, cum ar fi vopseaua, cerneala, produsele cosmetice, băuturile, hidrogelurile sau mediile de lustruire. Particulele individuale sunt ținute împreună de forțe de atracție de natură fizică și chimică, inclusiv forțele van der Waals și tensiunea superficială lichidă. Acest efect este mai puternic pentru lichidele cu vâscozitate mai mare, cum ar fi polimerii sau rășinile. Forțele de atracție trebuie depășite pentru a dezaglomera și dispersa particulele în medii lichide. Citiți mai jos de ce omogenizatoare cu ultrasunete sunt echipamente superioare de dispersie pentru dispersia particulelor submicronice și nano-dimensiuni în laborator și industrie.

Dispersarea cu ultrasunete a solidelor în lichide

Principiul de lucru al omogenizatoarelor cu ultrasunete se bazează pe fenomenul de cavitație acustică. Cavitația acustică este cunoscută pentru a crea forțe fizice intense, inclusiv forțe de forfecare foarte puternice. Aplicarea stresului mecanic rupe aglomeratele de particule. De asemenea, lichidul este presat între particule.
În timp ce pentru dispersarea pulberilor în lichide, diverse tehnologii, cum ar fi omogenizatoare de înaltă presiune, mori de mărgele agitatoare, mori cu jet de lovire și rotor-stator-mixer sunt disponibile în comerț. Cu toate acestea, dispersoarele cu ultrasunete au avantaje semnificative. Citiți mai jos cum funcționează dispersia cu ultrasunete și care sunt avantajele dispersiei cu ultrasunete.

 

 

Principiul de lucru al cavitației și dispersiei cu ultrasunete

În timpul sonicare, undele sonore de înaltă frecvență creează zone alternative de compresie și rarefiere în mediul lichid. Pe măsură ce undele sonore trec prin mediu, ele creează bule care se extind rapid și apoi se prăbușesc violent. Acest proces se numește cavitație acustică. Colapsul bulelor generează unde de șoc de înaltă presiune, microjeturi și forțe de forfecare care pot descompune particule mai mari și aglomerate în particule mai mici. În procesele de dispersie cu ultrasunete, particulele în sine în funcția de dispersie ca mediu de frezare. Accelerate de forțele de forfecare ale cavitației cu ultrasunete, particulele se ciocnesc între ele și se sparg în fragmente mici. Deoarece nu se adaugă margele sau perle la dispersia tratată cu ultrasunete, separarea și curățarea intensivă a mediilor de frezare, precum și contaminarea sunt complet evitate.
Acest lucru face sonicare atât de eficient în dispersarea și dezaglomerarea particulelor, chiar și cele care sunt dificil de defalcat cu alte metode. Acest lucru are ca rezultat o distribuție mai uniformă a particulelor, ceea ce duce la îmbunătățirea calității și performanței produsului.
În plus, sonicare poate manipula, dispersa și sintetiza cu ușurință nanomateriale, ar fi nanosfere, nanocristale, nanosheets, nanofibre, nanofire, particule miez-coajă și alte structuri complexe.
În plus, sonicare poate fi efectuată într-un interval de timp relativ scurt, ceea ce reprezintă un avantaj major față de alte tehnici de dispersie.

Avantajele dispersoarelor cu ultrasunete față de tehnologiile alternative de amestecare

Dispersoare cu ultrasunete oferă mai multe avantaje față de tehnologiile alternative de amestecare, ar fi omogenizatoare de înaltă presiune, frezare margele sau amestecare rotor-stator. Unele dintre cele mai proeminente avantaje includ:

• Reducere îmbunătățită a dimensiunii particulelor: Dispersoarele cu ultrasunete pot reduce în mod eficient dimensiunile particulelor la gama nanometrică, ceea ce nu este posibil cu multe alte tehnologii de amestecare. Acest lucru le face ideale pentru aplicații în care dimensiunea particulelor fine este critică.
• Amestecare mai rapidă: Dispersoarele cu ultrasunete pot amesteca și dispersa materialele mai repede decât multe alte tehnologii, ceea ce economisește timp și crește productivitatea.
• Fără contaminare: Dispersoare cu ultrasunete nu necesită utilizarea de medii de frezat auch ca margele sau perle, care contaminează dispersia prin abraziune.
• O calitate mai bună a produselor: Dispersoare cu ultrasunete pot produce amestecuri și suspensii mai uniforme, rezultând o mai bună calitate și consistență a produsului. În special în modul de curgere, suspensia de dispersie trece zona de cavitație cu ultrasunete într-o manieră foarte controlată, asigurând un tratament foarte uniform.
• Consum redus de energie: Dispersoare cu ultrasunete necesită de obicei mai puțină energie decât alte tehnologii, ceea ce reduce costurile de operare.
• Versatilitate: Dispersoare cu ultrasunete pot fi utilizate pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv omogenizare, emulsionare, dispersie, și dezaglomerare. De asemenea, pot manipula o varietate de materiale, inclusiv materiale abrazive, fibre, lichide corozive și chiar gaze.

Datorită acestor avantaje ale procesului, precum și fiabilității și funcționării simple, dispersoarele cu ultrasunete depășesc tehnologiile alternative de amestecare, făcându-le o alegere populară pentru multe aplicații industriale.

Dispersarea cu ultrasunete și dezaglomerarea în orice scară

Hielscher oferă dispozitive cu ultrasunete pentru dispersarea și dezaglomerarea oricărui volum pentru lot sau inline de prelucrare. Dispozitivele de laborator cu ultrasunete sunt utilizate pentru volume de la 1,5 ml la aproximativ 2 L. Dispozitivele industriale cu ultrasunete sunt utilizate în procesul de dezvoltare și producție pentru loturi de la 0,5 la aproximativ 2000L sau debite de la 0,1L la 20m³ pe oră.

Hielscher Ultrasonics procesoare industriale cu ultrasunete pot livra amplitudini foarte mari, astfel dispersarea fiabilă și măcinarea particulelor la scară nanometrică. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Avantajele dispersiei cu ultrasunete: ușor de scalat

Diferit de alte tehnologii de dispersare, ultrasonication poate fi scalat cu ușurință de la laborator la dimensiunea producției. Testele de laborator vor permite selectarea cu precizie a dimensiunii echipamentului necesar. Atunci când sunt utilizate la scară finală, rezultatele procesului sunt identice cu rezultatele de laborator.

Ultrasonicators: robust și ușor de curățat

Puterea cu ultrasunete este transmisă în lichid printr-un sonotrode. Aceasta este o piesă simetrică tipic rotativă, care este prelucrată din titan solid de calitate pentru aeronave. Aceasta este, de asemenea, singura parte umedă în mișcare / vibrație. Este singura piesă care este supusă uzurii și poate fi înlocuită cu ușurință în câteva minute. Flanșele de decuplare a oscilațiilor permit montarea sonotrodei în recipiente presurizabile deschise sau închise sau celule de flux în orice orientare. Nu sunt necesari rulmenți. Toate celelalte părți udate sunt în general fabricate din oțel inoxidabil. Reactoarele cu celule de flux au geometrii simple și pot fi ușor dezasamblate și curățate, de exemplu prin spălare și ștergere. Nu există orificii mici sau colțuri ascunse.

Curățitor cu ultrasunete în loc

Ecografia este bine cunoscută pentru aplicațiile sale de curățare, cum ar fi curățarea suprafeței, a pieselor. Intensitatea ultrasonică utilizată pentru dispersarea aplicațiilor este mult mai mare decât pentru curățarea tipică cu ultrasunete. Când vine vorba de curățarea părților umede ale dispozitivului cu ultrasunete, puterea cu ultrasunete poate fi utilizată pentru a ajuta la curățarea în timpul spălării și clătirii, deoarece cavitația cu ultrasunete / acustică îndepărtează particulele și reziduurile lichide din sonotrodă și din pereții celulelor de curgere.

---

---

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.