Ультразвуковое диспергирование и деагломерация

Диспергирование и деагломерация твёрдых веществ в жидкостях – важное применение мощного ультразвука и ультразвуковых аппаратов зондового типа. Ультразвуковая кавитация создаёт чрезвычайно интенсивный сдвиг, который разделяет агломераты частиц на отдельные диспергированные частицы. Благодаря локально сосредоточенным высоким сдвиговым усилиям обработка ультразвуком идеально подходит для получения дисперсий с частицами микронного и нанометрового размера для экспериментов, исследований и разработок и, конечно, для промышленного производства.

Смешивание порошков с жидкостями – распространённый этап приготовления различных продуктов, таких как краски, чернила, косметика, напитки, гидрогели или полировальные составы. Отдельные частицы удерживаются вместе силами притяжения различной физической и химической природы, включая силы Ван-дер-Ваальса и поверхностное натяжение жидкости. Этот эффект сильнее в жидкостях с более высокой вязкостью, таких как полимеры или смолы. Чтобы деагломерировать и диспергировать частицы в жидких средах, необходимо преодолеть силы притяжения. Читайте ниже, почему ультразвуковые гомогенизаторы превосходят другое диспергирующее оборудование при диспергировании частиц субмикронного и нанометрового размера в лаборатории и промышленности.

Ультразвуковое диспергирование твёрдых веществ в жидкостях

Принцип работы ультразвуковых гомогенизаторов основан на явлении акустической кавитации. Известно, что акустическая кавитация создаёт интенсивные физические силы, включая очень высокие сдвиговые усилия. Механическое воздействие разрушает агломераты частиц. Кроме того, жидкость вдавливается в промежутки между частицами.
Для диспергирования порошков в жидкостях доступны различные коммерческие технологии, такие как гомогенизаторы высокого давления, бисерные мельницы с мешалкой, мельницы со сталкивающимися струями и роторно-статорные смесители. Однако ультразвуковые диспергаторы имеют существенные преимущества. Читайте ниже, как работает ультразвуковое диспергирование и каковы его преимущества.

 

В видео показано ультразвуковое диспергирование красного красителя с помощью UP400St с зондом S24d диаметром 22mm.

 

Принцип действия ультразвуковой кавитации и диспергирования

При обработке ультразвуком высокочастотные звуковые волны создают в жидкой среде чередующиеся области сжатия и разрежения. Проходя через среду, звуковые волны создают пузырьки, которые быстро расширяются, а затем резко схлопываются. Этот процесс называется акустической кавитацией. Схлопывание пузырьков создаёт ударные волны высокого давления, микроструи и сдвиговые усилия, которые могут разрушать более крупные частицы и агломераты, превращая их в более мелкие частицы. В процессах ультразвукового диспергирования сами частицы в дисперсии выполняют функцию мелющих тел. Ускоряясь под действием сдвиговых усилий ультразвуковой кавитации, частицы сталкиваются друг с другом и разбиваются на мельчайшие фрагменты. Поскольку в обрабатываемую ультразвуком дисперсию не добавляют бисер или шарики, полностью исключаются требующие значительных затрат времени и труда отделение и очистка мелющих тел, а также загрязнение.
Это делает обработку ультразвуком столь эффективной для диспергирования и деагломерации частиц, даже тех, которые трудно разрушить другими методами. В результате достигается более равномерное распределение частиц, что улучшает качество и эксплуатационные характеристики продукта.
Кроме того, обработка ультразвуком позволяет легко обрабатывать, диспергировать и синтезировать такие наноматериалы, как наносферы, нанокристаллы, нанолисты, нановолокна, нанопроволоки, частицы типа «ядро–оболочка» и другие сложные структуры.
Также обработка ультразвуком может выполняться за относительно короткое время, что является существенным преимуществом перед другими методами диспергирования.

Преимущества ультразвуковых диспергаторов перед альтернативными технологиями смешивания

Ультразвуковые диспергаторы обладают рядом преимуществ перед альтернативными технологиями смешивания, такими как гомогенизация под высоким давлением, измельчение в бисерных мельницах или роторно-статорное смешивание. К наиболее заметным преимуществам относятся:

• Более эффективное уменьшение размера частиц: Ультразвуковые диспергаторы могут эффективно уменьшать размеры частиц до нанометрового диапазона, что невозможно при использовании многих других технологий смешивания. Это делает их идеальными для применений, в которых малый размер 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.
• Отсутствие загрязнения: Ультразвуковые диспергаторы не требуют использования мелющих тел, таких как бисер или шарики, которые загрязняют дисперсию продуктами истирания.
• Более высокое качество продукта: Ультразвуковые диспергаторы могут получать более однородные смеси и суспензии, что повышает качество продукта и стабильность его характеристик. Особенно в проточном режиме дисперсионная суспензия проходит через зону ультразвуковой кавитации в строго контролируемых условиях, обеспечивающих очень равномерную обработку.
• Меньшее энергопотребление: Ультразвуковые диспергаторы обычно потребляют меньше энергии, чем другие технологии, что снижает эксплуатационные расходы.
• Универсальность: Ультразвуковые диспергаторы можно использовать для широкого спектра применений, включая гомогенизацию, эмульгирование, диспергирование и деагломерацию. Они также позволяют обрабатывать разнообразные материалы, включая абразивные материалы, волокна, коррозионно-активные жидкости и даже газы.

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

Ультразвуковое диспергирование и деагломерация в любом масштабе

Hielscher предлагает ультразвуковые устройства для диспергирования и деагломерации любых объёмов при периодической обработке или обработке в потоке. Ультразвуковые лабораторные устройства применяются для объёмов от 1,5mL до приблизительно 2L. Промышленные ультразвуковые устройства применяются при разработке процессов и в производстве для партий объёмом от 0,5 до приблизительно 2000L или при расходах от 0,1L до 20m³ в час.

Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics могут обеспечивать очень высокие амплитуды, надёжно диспергируя и измельчая частицы до наномасштаба. Непрерывная работа с амплитудами до 200µm легко обеспечивается в режиме 24/7. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу.

Таблица ниже даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:

Ультразвуковое диспергирование углеродных нанотрубок – ультразвуковой процессор Hielscher UP400S (400W) быстро и эффективно диспергирует и распутывает углеродные нанотрубки, разделяя их на отдельные нанотрубки.

Преимущества ультразвукового диспергирования: простота масштабирования

В отличие от других технологий диспергирования, обработку ультразвуком можно легко масштабировать от лабораторного до производственного масштаба. Лабораторные испытания позволят точно выбрать необходимый типоразмер оборудования. При работе в конечном масштабе результаты процесса идентичны лабораторным результатам.

Ультразвуковые аппараты: прочные и легко очищаемые

Ультразвуковая мощность передаётся в жидкость через сонотрод. Как правило, это деталь с осевой симметрией, изготовленная механической обработкой из цельного титана авиационного качества. Это также единственная движущаяся / вибрирующая деталь, контактирующая с обрабатываемой жидкостью. Это единственная деталь, подверженная износу, и её можно легко заменить за считаные минуты. Фланцы для развязки колебаний позволяют устанавливать сонотрод в открытые или закрытые ёмкости, допускающие работу под давлением, либо в проточные ячейки в любой ориентации. Подшипники не требуются. Все остальные детали, контактирующие с обрабатываемой жидкостью, обычно изготовлены из нержавеющей стали. Реакторы с проточными ячейками имеют простую геометрию, легко разбираются и очищаются, например промывкой и протиранием. Мелкие отверстия и скрытые углы отсутствуют.

Ультразвуковая очистка без разборки

Ультразвук широко известен своим применением для очистки, например для очистки поверхностей и деталей. Интенсивность ультразвука, используемого для диспергирования, значительно выше, чем при обычной ультразвуковой очистке. При очистке деталей ультразвукового устройства, контактирующих с обрабатываемой жидкостью, ультразвуковая мощность может использоваться для облегчения очистки во время промывки и ополаскивания, поскольку ультразвуковая / акустическая кавитация удаляет частицы и остатки жидкости с сонотрода и стенок проточной ячейки.

---

---

Литература / Источники

• 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.