Dispergácia a deaglomerácia pevných látok do kvapalín je dôležitou aplikáciou ultrazvukových a sondových sonikátorov. Ultrazvuková kavitácia vytvára mimoriadne vysoký šmyk, ktorý rozbije častice aglomeráty na jednotlivé rozptýlené častice. Vzhľadom k jeho lokálne zamerané vysoké šmykové sily, ultrazvukom je ideálny na výrobu mirkónov- a nano-veľké disperzie pre experimentovanie, výskum a vývoj, a samozrejme pre priemyselnú výrobu.

Miešanie práškov do kvapalín je bežným krokom pri formulácii rôznych produktov, ako sú farby, atrament, 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 pre kvapaliny s vyššou viskozitou, ako sú polyméry alebo živice. Príťažlivé sily musia byť prekonané, aby sa častice rozpadli a rozptýlili do kvapalného média. Prečítajte si nižšie, prečo ultrazvukové homogenizátory sú vynikajúce dispergačné zariadenia pre disperziu submikrón- a nano-veľkosti častíc v laboratóriu a priemysle.

Ultrazvukové dispergovanie tuhých látok do kvapalín

Pracovný princíp ultrazvukových homogenizátorov je založený na fenoméne akustickej kavitácie. Je známe, že akustická kavitácia vytvára intenzívne fyzické sily vrátane veľmi silných šmykových síl. Použitie mechanického namáhania rozbije častice aglomeráty. Medzi časticami sa tiež tlačí kvapalina.
Zatiaľ čo na dispergovanie práškov do kvapalín sú komerčne dostupné rôzne technológie, ako sú vysokotlakové homogenizátory, miešacie mlyny, impingové prúdové mlyny a rotor-stator-mixér. Avšak ultrazvukové rozptyľovače majú významné výhody. Prečítajte si nižšie, ako funguje ultrazvuková disperzia a aké sú výhody ultrazvukového rozptýlenia.

 

 

Pracovný princíp ultrazvukovej kavitácie a disperzie

Počas ultrazvukom vytvárajú vysokofrekvenčné zvukové vlny striedavé oblasti kompresie a zriedenia v kvapalnom médiu. Keď zvukové vlny prechádzajú médiom, vytvárajú bubliny, ktoré sa rýchlo rozširujú a potom prudko skolabujú. Tento proces sa nazýva akustická kavitácia. Kolaps bublín vytvára vysokotlakové rázové vlny, mikrotrysky a strihové sily, ktoré môžu rozložiť väčšie častice a aglomerovať na menšie častice. V ultrazvukových disperzných procesoch samotné častice v disperzii fungujú ako frézovacie médium. Zrýchlené šmykovými silami ultrazvukovej kavitácie, častice sa navzájom zrážajú a rozpadajú sa na malé fragmenty. Pretože sa do rozpúšťadle ošetrenej disperzie nepridávajú žiadne guľôčky ani perly, úplne sa zabráni časovo náročnému a pracovne náročnému oddeleniu a čisteniu mlynských médií, ako aj kontaminácii.
Vďaka tomu je ultrazvukom tak 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 ultrazvukom môže ľahko zvládnuť, rozptýliť a syntetizovať nanomateriály, ako sú nanosféry, nanokryštály, nanolisty, nanovlákna, častice jadra-shell a iné zložité štruktúry.
Okrem toho môže byť ultrazvukom vykonaná v relatívne krátkom časovom rámci, čo je hlavnou výhodou oproti iným disperzným technikám.

Výhody ultrazvukových rozptyľovačov oproti alternatívnym technológiám miešania

Ultrazvukové rozptyľovače ponúkajú niekoľko výhod oproti alternatívnym technológiám miešania, ako sú vysokotlakové homogenizátory, frézovanie korálkov alebo miešanie rotor-stator. Medzi najvýznamnejšie výhody patria:

• Vylepšená redukcia veľkosti častíc: Ultrazvukové rozptyľovače môžu účinne znížiť veľkosť častíc na rozsah nanometrov, čo nie je možné s mnohými inými technológiami miešania. Vďaka tomu sú ideálne pre aplikácie, kde je kritická veľkosť jemných častíc.
• Rýchlejšie miešanie: Ultrazvukové rozptyľovače môžu miešať a rozptyľovať materiály rýchlejšie ako mnohé iné technológie, čo šetrí čas a zvyšuje produktivitu.
• Žiadna kontaminácia: Ultrazvukové rozptyľovače nevyžadujú použitie frézovacích médií auch ako korálky alebo perly, ktoré kontaminujú disperziu oderom.
• Lepšia kvalita výrobkov: Ultrazvukové rozptyľovače 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, čo zaisťuje veľmi rovnomerné ošetrenie.
• Nižšia spotreba energie: Ultrazvukové rozptyľovače zvyčajne vyžadujú menej energie ako iné technológie, čo znižuje prevádzkové náklady.
• Univerzálnosť: Ultrazvukové rozptyľovače môžu byť použité pre širokú škálu aplikácií, vrátane homogenizácie, emulgácie, disperzie, a deaglomerácie. Môžu tiež manipulovať s rôznymi materiálmi vrátane abrazívnych materiálov, vlákien, korozívnych kvapalín a dokonca aj plynov.

Vďaka týmto procesným výhodám, ako aj spoľahlivosti a jednoduchej obsluhe, ultrazvukové rozptyľovače prekonávajú alternatívne miešacie technológie, čo z nich robí obľúbenú voľbu pre mnohé priemyselné aplikácie.

Ultrazvukové dispergovanie a deaglomerácia v akomkoľvek meradle

Hielscher ponúka ultrazvukové zariadenia pre dispergovanie a deaglomeráciu akéhokoľvek objemu pre dávkové alebo inline spracovanie. Ultrazvukové laboratórne prístroje sa používajú pre objemy od 1,5 ml do približne 2 l. Priemyselné ultrazvukové zariadenia sa používajú v procese vývoja a výroby pre dávky od 0,5 do približne 2000L alebo prietoky od 0,1L do 20m³ za hodinu.

Hielscher Ultrazvuk priemyselné ultrazvukové procesory môžu dodať veľmi vysoké amplitúdy, čím spoľahlivo rozptýliť a frézovanie častíc do nano-rozsahu. Amplitúdy až do 200μm môžu byť ľahko nepretržite prevádzkované v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.

Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov:

Výhody ultrazvukovej disperzie: Jednoduché zväčšenie

Na rozdiel od iných dispergačných technológií, ultrazvukom možno ľahko rozšíriť z laboratória do výrobnej veľkosti. Laboratórne testy umožnia presne vybrať požadovanú veľkosť zariadenia. Pri použití v konečnom meradle sú výsledky procesu identické s laboratórnymi výsledkami.

Ultrasonicators: Robustné a ľahko čistiteľné

Ultrazvukový výkon sa prenáša do kvapaliny cez sonotródu. Ide o typicky rotačnú symetrickú časť, ktorá je opracovaná z pevného titánu kvality lietadla. Toto je tiež jediná pohyblivá / vibračná navlhčená časť. Je to jediná časť, ktorá podlieha opotrebovaniu a dá sa ľahko vymeniť v priebehu niekoľkých minút. Príruby na oddelenie oscilácie umožňujú namontovať sonotródu do otvorených alebo uzavretých tlakových nádob alebo prietokových buniek v ľubovoľnej orientácii. Nie sú potrebné žiadne ložiská. Všetky ostatné navlhčené časti sú zvyčajne vyrobené z nehrdzavejúcej ocele. Reaktory s prietokovými článkami majú jednoduchú geometriu a dajú sa ľahko rozobrať a vyčistiť, napr. prepláchnutím a vymazaním. Neexistujú žiadne malé otvory ani skryté rohy.

Ultrazvukový čistič na mieste

Ultrazvuk je dobre známy svojimi čistiacimi aplikáciami, ako je čistenie povrchu, časti. Ultrazvuková intenzita používaná na dispergovanie aplikácií je oveľa vyššia ako pri typickom ultrazvukovom čistení. Pokiaľ ide o čistenie navlhčených častí ultrazvukového zariadenia, ultrazvukový výkon môže byť použitý na pomoc pri čistení počas splachovania a oplachovania, pretože ultrazvuková / akustická kavitácia odstraňuje častice a zvyšky kvapaliny 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.