Ультразвуковое диспергирование и деагломерация

Диспергирование и деагломерация твердых частиц в жидкости является важным применением силового ультразвука и ультразвуковых аппаратов зондового типа. Ультразвуковая кавитация создает необычайно высокий сдвиг, который разбивает агломераты частиц на отдельные дисперсные частицы. Благодаря локально сфокусированным высоким поперечным силам, ультразвук идеально подходит для получения миркон- и наноразмерных дисперсий для экспериментов, исследований и разработок, и, конечно же, для промышленного производства.

Смешивание порошков с жидкостями является распространенным этапом в разработке рецептуры различных продуктов, таких как краски, чернила, косметика, напитки, гидрогели или полирующие средства. Отдельные частицы удерживаются вместе силами притяжения различной физической и химической природы, включая силы Ван-дер-Ваальса и поверхностное натяжение жидкости. Этот эффект сильнее проявляется при работе с жидкостями с более высокой вязкостью, такими как полимеры или смолы. Силы притяжения должны быть преодолены, чтобы деагломерировать и диспергировать частицы в жидких средах. Читайте ниже, почему ультразвуковые гомогенизаторы являются превосходным диспергирующим оборудованием для диспергирования субмикронных и наноразмерных частиц в лабораториях и промышленности.

Ультразвуковое диспергирование твердых частиц в жидкости

Принцип работы ультразвуковых гомогенизаторов основан на явлении акустической кавитации. Известно, что акустическая кавитация создает интенсивные физические силы, в том числе очень сильные силы сдвига. Под воздействием механического напряжения агломераты частиц разбиваются на части. Также между частицами вдавливается жидкость.
В то время как для диспергирования порошков в жидкости коммерчески доступны различные технологии, такие как гомогенизаторы высокого давления, бисерные мельницы с мешалкой, струйные мельницы с ударом и ротор-статор-смеситель. Однако ультразвуковые диспергаторы имеют существенные преимущества. Читайте ниже, как работает ультразвуковая дисперсия и в чем преимущества ультразвуковой дисперсии.

 

 

Принцип работы ультразвуковой кавитации и диспергирования

Во время ультразвуковой обработки высокочастотные звуковые волны создают чередующиеся области сжатия и разрежения в жидкой среде. Когда звуковые волны проходят через среду, они создают пузырьки, которые быстро расширяются, а затем сильно схлопываются. Этот процесс называется акустической кавитацией. Схлопывание пузырьков создает ударные волны высокого давления, микроструи и сдвиговые силы, которые могут разрушать более крупные частицы и агломераты на более мелкие частицы. В процессах ультразвукового диспергирования сами частицы в дисперсии выступают в качестве мелющей среды. Ускоряемые поперечными силами ультразвуковой кавитации, частицы сталкиваются друг с другом и разбиваются на мельчайшие осколки. Благодаря тому, что в дисперсию, прошедшую ультразвуковую обработку, не добавляются гранулы или жемчуг, полностью исключается трудоемкая и трудоемкая сепарация и очистка мелющих сред, а также загрязнение.
Это делает ультразвук таким эффективным для диспергирования и деагломерации частиц, даже тех, которые трудно разрушить другими методами. Это приводит к более равномерному распределению частиц, что приводит к улучшению качества и производительности продукции.
Кроме того, ультразвуковая обработка может легко обрабатывать, диспергировать и синтезировать наноматериалы, такие как наносферы, нанокристаллы, нанолисты, нановолокна, нанопроволоки, частицы сердцевины и оболочки и другие сложные структуры.
Кроме того, ультразвуковая обработка может быть выполнена в относительно короткие сроки, что является серьезным преимуществом по сравнению с другими методами дисперсии.

Преимущества ультразвуковых диспергаторов перед альтернативными технологиями смешивания

Ультразвуковые диспергаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с альтернативными технологиями смешивания, такими как гомогенизаторы высокого давления, фрезерование валиков или роторно-статорное смешивание. Некоторые из наиболее заметных преимуществ включают в себя:

• Улучшенное уменьшение размера частиц: Ультразвуковые диспергаторы могут эффективно уменьшать размер частиц до нанометрового диапазона, что невозможно при многих других технологиях смешивания. Это делает их идеальными для применений, где размер мелких частиц имеет решающее значение.
• Более быстрое смешивание: Ультразвуковые диспергаторы могут смешивать и диспергировать материалы быстрее, чем многие другие технологии, что экономит время и повышает производительность.
• Без загрязнения: Ультразвуковые диспергаторы не требуют использования измельчающих сред в виде бусин или жемчуга, которые загрязняют дисперсию путем истирания.
• Лучшее качество продукции: Ультразвуковые диспергаторы могут производить более однородные смеси и суспензии, что приводит к улучшению качества и консистенции продукта. Особенно в проточном режиме дисперсионная суспензия проходит через зону ультразвуковой кавитации строго контролируемым образом, обеспечивая очень равномерную обработку.
• Более низкое энергопотребление: Ультразвуковые диспергаторы обычно потребляют меньше энергии, чем другие технологии, что снижает эксплуатационные расходы.
• Многосторонность: Ультразвуковые диспергаторы могут использоваться для широкого спектра применений, включая гомогенизацию, эмульгирование, диспергирование и деагломерацию. Они также могут работать с различными материалами, включая абразивные материалы, волокна, коррозионные жидкости и даже газы.

Благодаря этим технологическим преимуществам, а также надежности и простоте в эксплуатации, ультразвуковые диспергаторы превосходят альтернативные технологии смешивания, что делает их популярным выбором для многих промышленных применений.

Ультразвуковое диспергирование и деагломерация в любых масштабах

Hielscher предлагает ультразвуковые устройства для диспергирования и деагломерации любого объема для периодической или поточной обработки. Ультразвуковые лабораторные приборы используются для объемов от 1,5 мл до ок. 2 л. Промышленные ультразвуковые устройства используются при разработке и производстве технологических процессов для партий от 0,5 до примерно 2000 л или расхода от 0,1 л до 20 м³ в час.

Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics могут обеспечивать очень высокую амплитуду, тем самым надежно диспергируя и измельчая частицы в наноразмерах. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Преимущества ультразвукового диспергирования: простота масштабирования

В отличие от других технологий диспергирования, ультразвуковое излучение может быть легко масштабировано от лаборатории до размера производства. Лабораторные испытания позволят точно подобрать необходимый размер оборудования. При использовании в окончательном масштабе результаты процесса идентичны лабораторным результатам.

Ультразвуковые аппараты: прочные и простые в уходе

Ультразвуковая мощность передается в жидкость через сонотрод. Это типично вращающаяся симметричная деталь, которая изготавливается из цельного титана авиационного качества. Это также единственная движущаяся/вибрирующая смачиваемая часть. Это единственная деталь, которая подвержена износу и может быть легко заменена в течение нескольких минут. Осциллирующе-развязывающие фланцы позволяют устанавливать сонотрод в открытые или закрытые герметичные емкости или проточные ячейки в любой ориентации. Подшипники не требуются. Все остальные смачиваемые детали обычно изготавливаются из нержавеющей стали. Реакторы с проточной ячейкой имеют простую геометрию и могут быть легко разобраны и очищены, например, путем промывки и протирания. Здесь нет маленьких отверстий или скрытых уголков.

Ультразвуковой очиститель на месте

Ультразвук хорошо известен своими очистительными функциями, такими как очистка поверхности, части. Интенсивность ультразвука, используемого для диспергирования, намного выше, чем при обычной ультразвуковой очистке. Когда дело доходит до очистки смачиваемых частей ультразвукового устройства, ультразвуковая мощность может быть использована для облегчения очистки во время промывки и промывки, поскольку ультразвуковая/акустическая кавитация удаляет частицы и остатки жидкости с сонотрода и со стенок проточной ячейки.

---

---

Литература / Литература

• 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.