Ultrazvuková dispergácia a deaglomerácia

Dispergácia a deaglomerácia pevných látok na kvapaliny je dôležitou aplikáciou výkonových ultrazvukových a sondových sonikátorov. Ultrazvuková kavitácia vytvára mimoriadne vysoký strih, ktorý rozkladá aglomeráty častíc na jednotlivé dispergované častice. Vďaka lokálne zameraným vysokým šmykovým silám je sonikácia ideálna na výrobu disperzií mirconových a nanorozmerov pre experimentovanie, výskum a vývoj a samozrejme pre priemyselnú výrobu.

Miešanie práškov do tekutín je bežným krokom pri formulovaní rôznych produktov, ako sú farby, atramenty, kozmetika, nápoje, hydrogély alebo leštiace médiá. Jednotlivé častice sú držané pohromade príťažlivými silami rôznej fyzikálnej a chemickej povahy, vrátane van der Waalsových síl a povrchového napätia kvapaliny. Tento účinok je silnejší pre kvapaliny s vyššou viskozitou, ako sú polyméry alebo živice. Príťažlivé sily musia byť prekonané, aby sa častice deaglomerovali a rozptýlili do kvapalného média. Nižšie si prečítajte, prečo sú ultrazvukové homogenizátory vynikajúcim dispergačným zariadením na disperziu submikrónových a nanočastíc v laboratóriu a priemysle.

Ultrazvuková dispergácia pevných látok na kvapaliny

Princíp činnosti ultrazvukových homogenizátorov je založený na fenoméne akustickej kavitácie. Je známe, že akustická kavitácia vytvára intenzívne fyzikálne sily vrátane veľmi silných šmykových síl. Aplikácia mechanického namáhania rozbíja aglomeráty častíc. Medzi časticami sa tiež vtlačí kvapalina.
Zatiaľ čo na dispergáciu práškov do kvapalín sú komerčne dostupné rôzne technológie, ako sú vysokotlakové homogenizátory, miešacie guľôčkové mlyny, nárazové tryskové mlyny a rotor-stator-mixér. Ultrazvukové dispergátory však majú významné výhody. Nižšie si prečítajte, ako funguje ultrazvuková disperzia a aké sú výhody ultrazvukovej disperzie.

 

 

Princíp činnosti ultrazvukovej kavitácie a disperzie

Počas sonikácie vytvárajú vysokofrekvenčné zvukové vlny striedajúce sa oblasti kompresie a zriedenia v kvapalnom médiu. Keď zvukové vlny prechádzajú médiom, vytvárajú bubliny, ktoré sa rýchlo rozširujú a potom sa prudko zrútia. Tento proces sa nazýva akustická kavitácia. Kolaps bublín vytvára vysokotlakové rázové vlny, mikroprúdy a šmykové sily, ktoré môžu rozložiť väčšie častice a aglomeráty na menšie častice. V ultrazvukových disperzných procesoch fungujú samotné častice v disperzii ako mletie médium. Častice, ktoré urýchľujú šmykové sily ultrazvukovej kavitácie, sa navzájom zrážajú a rozbíjajú sa na malé úlomky. Keďže sa do ultrazvukom upravenej disperzie nepridávajú žiadne guľôčky ani perly, úplne sa zabráni časovo a pracne náročnej separácii a čisteniu mlynských médií, ako aj kontaminácii.
Vďaka tomu je sonikácia taká účinná pri rozptyľovaní a deaglomerácii častíc, dokonca aj tých, ktoré sa ťažko rozkladajú inými metódami. Výsledkom je rovnomernejšie rozloženie častíc, čo vedie k zlepšeniu kvality a výkonu produktu.
Okrem toho sonikácia dokáže ľahko zvládnuť, rozptýliť a syntetizovať nanomateriály, ako sú nanosféry, nanokryštály, nanovrstvy, nanovlákna, nanodrôty, častice jadra-obal a iné zložité štruktúry.
Okrem toho je možné sonikáciu vykonať v relatívne krátkom časovom rámci, čo je veľká výhoda oproti iným disperzným technikám.

Výhody ultrazvukových dispergátorov oproti alternatívnym technológiám miešania

Ultrazvukové dispergátory ponúkajú niekoľko výhod oproti alternatívnym technológiám miešania, ako sú vysokotlakové homogenizátory, frézovanie guľôčok alebo miešanie rotor-stator. Niektoré z najvýznamnejších výhod zahŕňajú:

• Vylepšené zmenšenie veľkosti častíc: Ultrazvukové dispergátory môžu účinne zmenšiť veľkosť častíc na rozsah nanometrov, čo nie je možné pri mnohých iných technológiách miešania. Vďaka tomu sú ideálne pre aplikácie, kde je kritická veľkosť jemných častíc.
• Rýchlejšie miešanie: Ultrazvukové dispergátory dokážu miešať a rozptyľovať materiály rýchlejšie ako mnohé iné technológie, čo šetrí čas a zvyšuje produktivitu.
• Žiadna kontaminácia: Ultrazvukové dispergátory nevyžadujú použitie mlynského média ako guľôčky alebo perly, ktoré kontaminujú disperziu oderom.
• Lepšia kvalita produktu: Ultrazvukové dispergátory môžu produkovať rovnomernejšie zmesi a suspenzie, čo vedie k lepšej kvalite a konzistencii produktu. Najmä v prietokovom režime disperzná suspenzia prechádza ultrazvukovou kavitačnou zónou vysoko kontrolovaným spôsobom, čím sa zabezpečuje veľmi rovnomerné spracovanie.
• Nižšia spotreba energie: Ultrazvukové dispergátory zvyčajne vyžadujú menej energie ako iné technológie, čo znižuje prevádzkové náklady.
• Univerzálnosť: Ultrazvukové dispergátory možno použiť na širokú škálu aplikácií vrátane homogenizácie, emulgácie, disperzie a deaglomerácie. Dokážu si poradiť aj s rôznymi materiálmi 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, čo z nich robí obľúbenú voľbu pre mnohé priemyselné aplikácie.

Ultrazvuková dispergácia a deaglomerácia v akomkoľvek meradle

Spoločnosť Hielscher ponúka ultrazvukové prístroje na dispergáciu a deaglomeráciu ľubovoľného objemu na dávkové alebo inline spracovanie. Ultrazvukové laboratórne prístroje sa používajú pre objemy od 1,5 ml do cca. 2 l. Priemyselné ultrazvukové zariadenia sa používajú pri vývoji a výrobe pre dávky od 0,5 do cca 2000 l alebo prietoky od 0,1 l do 20 m³ za hodinu.

Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy, čím spoľahlivo rozptyľujú a mletú častice do nanomierky. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

Výhody ultrazvukovej disperzie: Ľahko sa škáluje

Na rozdiel od iných dispergových technológií je možné ultrazvuk ľahko škálovať z laboratória na veľkosť výroby. Laboratórne testy umožnia presne vybrať požadovanú veľkosť zariadenia. Pri použití vo finálnej škále sú výsledky procesu identické s laboratórnymi výsledkami.

Ultrazvukové prístroje: robustné a ľahko sa čistia

Ultrazvuková energia sa prenáša do kvapaliny cez sonotródu. Ide o typicky rotačný symetrický diel, ktorý je vyrobený z pevného titánu v kvalite lietadla. Toto je tiež jediná pohyblivá / vibračná zvlhčená časť. Je to jediná časť, ktorá podlieha opotrebovaniu a dá sa ľahko vymeniť v priebehu niekoľkých minút. Príruby na oddeľovanie oscilácií umožňujú montáž sonotródy do otvorených alebo uzavretých tlakových nádob alebo prietokových buniek v akejkoľvek orientácii. Nie sú potrebné žiadne ložiská. Všetky ostatné zmáčané časti sú vo všeobecnosti vyrobené z nehrdzavejúcej ocele. Reaktory s prietokovými bunkami majú jednoduchú geometriu a dajú sa ľahko rozobrať a vyčistiť, napr. prepláchnutím a vytretím. Neexistujú žiadne malé otvory ani skryté rohy.

Ultrazvuková čistička na mieste

Ultrazvuk je dobre známy svojimi čistiacimi aplikáciami, ako je čistenie povrchov, častí. Ultrazvuková intenzita používaná na dispergované aplikácie je oveľa vyššia ako pri typickom ultrazvukovom čistení. Pokiaľ ide o čistenie zvlhčených častí ultrazvukového zariadenia, ultrazvukový výkon možno použiť na pomoc pri čistení počas preplachovania a oplachovania, pretože ultrazvuková / akustická kavitácia odstraňuje častice a zvyšky kvapalín zo sonotródy a zo stien prietokových buniek.

---

---

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.