Ultrazvukové dispergovanie a deaglomerácia
Dispergovanie a deaglomerácia tuhých látok v kvapalinách sú dôležitou aplikáciou výkonového ultrazvuku a sondových sonikátorov. Ultrazvuková kavitácia vytvára mimoriadne vysoké šmykové namáhanie, ktoré rozrušuje aglomeráty častíc na jednotlivé dispergované častice. Vďaka lokálne sústredeným vysokým šmykovým silám je sonikácia ideálna na prípravu disperzií s časticami mikrometrových a nanometrových rozmerov na experimentálne účely, výskum a vývoj a, samozrejme, aj na priemyselnú výrobu.
Vmiešavanie práškov do kvapalín je bežným krokom pri príprave rôznych výrobkov, ako sú náterové farby, atramenty, kozmetika, nápoje, hydrogély alebo leštiace médiá. Jednotlivé častice držia pohromade príťažlivé sily rôznej fyzikálnej a chemickej povahy vrátane van der Waalsových síl a povrchového napätia kvapaliny. Tento účinok je silnejší pri kvapalinách s vyššou viskozitou, ako sú polyméry alebo živice. Na deaglomeráciu a dispergovanie častíc v kvapalných médiách je potrebné prekonať tieto príťažlivé sily. Nižšie sa dozviete, prečo sú ultrazvukové homogenizátory najlepšími dispergačnými zariadeniami na dispergovanie častíc submikrónových a nanometrových rozmerov v laboratóriu a priemysle.
Ultrazvukový prístroj UP400St na prípravu disperzií nanočastíc v dávkach.
Ultrazvukové dispergovanie tuhých látok v kvapalinách
Princíp činnosti ultrazvukových homogenizátorov je založený na jave akustickej kavitácie. Je známe, že akustická kavitácia vytvára intenzívne fyzikálne sily vrátane veľmi silných šmykových síl. Pôsobenie mechanického namáhania rozrušuje aglomeráty častíc. Medzi častice sa zároveň vtláča kvapalina.
Na dispergovanie práškov v kvapalinách sú komerčne dostupné rôzne technológie, ako sú vysokotlakové homogenizátory, miešadlové guľôčkové mlyny, mlyny s nárazovými prúdmi a rotorovo-statorové miešače. Ultrazvukové dispergátory však majú významné výhody. Nižšie sa dozviete, ako funguje ultrazvukové dispergovanie a aké sú jeho výhody.
Princíp fungovania ultrazvukovej kavitácie a dispergovania
Počas sonikácie vytvárajú vysokofrekvenčné zvukové vlny v kvapalnom médiu striedajúce sa oblasti stláčania a zrieďovania. Pri prechode médiom vytvárajú zvukové vlny bubliny, ktoré sa rýchlo rozpínajú a potom prudko kolabujú. Tento proces sa nazýva akustická kavitácia. Kolaps bublín vytvára vysokotlakové rázové vlny, mikroprúdy a šmykové sily, ktoré môžu rozrušovať väčšie častice a aglomeráty na menšie častice. Pri ultrazvukovom dispergovaní fungujú samotné častice v disperzii ako mlecie médium. Častice urýchľované šmykovými silami ultrazvukovej kavitácie do seba narážajú a trieštia sa na drobné úlomky. Keďže sa do ultrazvukom ošetrovanej disperzie nepridávajú žiadne guľôčky ani perličky, úplne odpadá časovo a pracovne náročné oddeľovanie a čistenie mlecích médií a úplne sa predchádza aj kontaminácii.
Vďaka tomu je sonikácia taká účinná pri dispergovaní a deaglomerácii častíc, dokonca aj tých, ktoré sa inými metódami rozrušujú ťažko. Výsledkom je rovnomernejšie rozloženie častíc, čo vedie k zlepšeniu kvality a úžitkových vlastností výrobku.
Sonikáciou možno navyše ľahko spracúvať, dispergovať a syntetizovať nanomateriály, ako sú nanoguľôčky, nanokryštály, nanovrstvy, nanovlákna, nanodrôty, častice so štruktúrou jadro–obal a ďalšie zložité štruktúry.
Sonikáciu možno okrem toho vykonávať v relatívne krátkom čase, čo je významná výhoda oproti iným dispergačným technikám.
Výhody ultrazvukových dispergátorov oproti alternatívnym technológiám miešania
Ultrazvukové dispergátory ponúkajú viaceré výhody oproti alternatívnym technológiám miešania, ako sú vysokotlakové homogenizátory, mletie v guľôčkových mlynoch alebo rotorovo-statorové miešanie. Medzi najvýraznejšie výhody patria:
- Účinnejšie zmenšovanie veľkosti častíc: Ultrazvukové dispergátory dokážu účinne zmenšiť častice na nanometrovú veľkosť, čo pri mnohých iných technológiách miešania nie je možné. Vďaka tomu sú ideálne pre aplikácie, pri ktorých je rozhodujúca malá veľkosť častíc.
- Rýchlejšie miešanie: Ultrazvukové dispergátory dokážu miešať a dispergovať materiály rýchlejšie než mnohé iné technológie, čo šetrí čas a zvyšuje produktivitu.
- Bez kontaminácie: Ultrazvukové dispergátory nevyžadujú použitie mlecích telies, ako sú guľôčky alebo perličky, ktoré kontaminujú disperziu oterom.
- Lepšia kvalita produktu: Ultrazvukové dispergátory dokážu vytvárať rovnomernejšie zmesi a suspenzie, čo vedie k lepšej a stálejšej kvalite produktu. Najmä v prietokovom režime prechádza disperzná suspenzia zónou ultrazvukovej kavitácie vysoko kontrolovaným spôsobom, čím sa zabezpečuje veľmi rovnomerné spracovanie.
- Nižšia spotreba energie: Ultrazvukové dispergátory zvyčajne vyžadujú menej energie než iné technológie, čo znižuje prevádzkové náklady.
- Všestrannosť: Ultrazvukové dispergátory možno použiť na širokú škálu aplikácií vrátane homogenizácie, emulgácie, dispergovania a deaglomerácie. Dokážu spracovať aj rôzne materiály vrátane abrazívnych materiálov, vlákien, korozívnych kvapalín a dokonca aj plynov.
Vďaka týmto procesným výhodám, ako aj spoľahlivosti a jednoduchej obsluhe, ultrazvukové dispergátory prekonávajú alternatívne technológie miešania, a preto sú obľúbenou voľbou pre mnohé priemyselné aplikácie.
Ultrasonikátor UIP1000hdT (1000 wattov) dispergujúci nanoplnivá v lakoch
Ultrazvukové dispergovanie pyrogénneho oxidu kremičitého vo vode: Pred pôsobením ultrazvuku je veľkosť aglomerovaných častíc oxidu kremičitého väčšia než 200 mikrometrov (D50). Po ultrazvukovom dispergovaní pyrogénneho oxidu kremičitého sa väčšina častíc zmenšila na menej než 200 nanometrov.
Ultrazvukové dispergovanie a deaglomerácia v akomkoľvek meradle
Hielscher ponúka ultrazvukové zariadenia na dispergovanie a deaglomeráciu ľubovoľného objemu pri dávkovom alebo inline spracovaní. Laboratórne ultrazvukové zariadenia sa používajú na objemy od 1,5mL do približne 2L. Priemyselné ultrazvukové zariadenia sa používajú pri vývoji procesov a vo výrobe na dávky od 0,5 do približne 2000L alebo pri prietokoch od 0,1L do 20m³ za hodinu.
Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy, čím spoľahlivo dispergujú a melú častice na nanometrovú veľkosť. Amplitúdy až do 200µm možno bez problémov nepretržite udržiavať v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru.
Priemyselný systém výkonového ultrazvuku MultiSonoReactor na priemyselné inline dispergovanie: Vysokovýkonné ultrasonikátory sú spoľahlivé a vysoko účinné inline miešacie systémy na výrobu nanodisperzií.
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 0,5 až 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zoskupenie zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Ultrasonikátor UIP1000hdT (1000 wattov) dispergujúci nanoplnivá v lakoch
Výhody ultrazvukového dispergovania: Jednoduchý prechod na väčšie meradlo
Na rozdiel od iných technológií dispergovania možno ultrazvukové spracovanie ľahko preniesť z laboratórneho do výrobného meradla. Laboratórne skúšky umožnia presne vybrať požadovanú veľkosť zariadenia. Pri použití v konečnom meradle sú výsledky procesu totožné s laboratórnymi výsledkami.
Ultrasonikátory: Robustné a ľahko čistiteľné
Ultrazvukový výkon sa prenáša do kvapaliny prostredníctvom sonotródy. Ide o zvyčajne rotačne symetrický diel, ktorý sa obrába z plného titánu leteckej kvality. Je to zároveň jediný pohyblivý / vibrujúci diel prichádzajúci do kontaktu s kvapalinou. Je to jediný diel, ktorý podlieha opotrebovaniu, a možno ho jednoducho vymeniť v priebehu niekoľkých minút. Príruby oddeľujúce kmitanie umožňujú namontovať sonotródu do otvorených alebo uzavretých tlakových nádob či prietokových ciel v ľubovoľnej orientácii. Nie sú potrebné žiadne ložiská. Všetky ostatné diely prichádzajúce do kontaktu s kvapalinou sú spravidla vyrobené z nehrdzavejúcej ocele. Reaktory s prietokovou celou majú jednoduchú geometriu a možno ich ľahko rozobrať a vyčistiť, napr. prepláchnutím a vytretím. Nie sú v nich žiadne malé otvory ani skryté kúty.
Ultrazvukové čistenie na mieste
Ultrazvuk je dobre známy svojím využitím pri čistení, napríklad pri čistení povrchov a dielov. Intenzita ultrazvuku používaná pri dispergovaní je oveľa vyššia než pri bežnom ultrazvukovom čistení. Pri čistení dielov ultrazvukového zariadenia prichádzajúcich do kontaktu s kvapalinou možno ultrazvukový výkon využiť na podporu čistenia počas preplachovania a oplachovania, pretože ultrazvuková / akustická kavitácia odstraňuje častice a zvyšky kvapalín zo sonotródy a zo stien prietokovej cely.
Literatúra / Referencie
- 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.
Ultrazvukový homogenizátor UIP6000hdT na priemyselné inline spracovanie veľkých množstiev materiálu.
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórnej až po priemyselnú veľkosť.