Ultrazvočna disperzija in deaglomeracija

Dispergiranje in deaglomeracija trdnih snovi v tekočine je pomembna uporaba ultrazvoka moči in sondnih zvočnikov. Ultrazvočna kavitacija ustvarja izjemno visoko striženje, ki razbije aglomerate delcev v posamezne razpršene delce. Zaradi svojih lokalno usmerjenih visokih strižnih sil je ultrazvočna razbijanje idealna za proizvodnjo mirkon- in nano-velikih disperzij za eksperimentiranje, raziskave in razvoj ter seveda za industrijsko proizvodnjo.

Mešanje praškov v tekočine je pogost korak pri formulaciji različnih izdelkov, kot so barve, črnilo, kozmetika, pijače, hidrogeli ali mediji za poliranje. Posamezne delce držijo skupaj privlačne sile različne fizikalne in kemijske narave, vključno z van der Waalsovimi silami in površinsko napetostjo tekočine. Ta učinek je močnejši pri tekočinah z višjo viskoznostjo, kot so polimeri ali smole. Privlačne sile je treba premagati, da se delci deaglomerirajo in razpršijo v tekoče medije. Spodaj preberite, zakaj so ultrazvočni homogenizatorji vrhunska disperzijska oprema za disperzijo submikronskih in nano-delcev v laboratoriju in industriji.

Ultrazvočna disperzija trdnih snovi v tekočine

Načelo delovanja ultrazvočnih homogenizatorjev temelji na pojavu akustične kavitacije. Znano je, da akustična kavitacija ustvarja intenzivne fizikalne sile, vključno z zelo močnimi strižnimi silami. Uporaba mehanske obremenitve razbije aglomerate delcev. Tudi tekočina se stisne med delce.
Medtem ko so za razpršitev prahu v tekočine na voljo različne tehnologije, kot so visokotlačni homogenizatorji, mlini za mešanje, udarni mlini in rotor-stator-mešalnik. Vendar pa imajo ultrazvočni razpršilniki pomembne prednosti. Spodaj preberite, kako deluje ultrazvočna disperzija in kakšne so prednosti ultrazvočne disperzije.

 

 

Načelo delovanja ultrazvočne kavitacije in disperzije

Med ultrazvočnim razbijanjem visokofrekvenčni zvočni valovi ustvarjajo izmenična območja stiskanja in redčenja v tekočem mediju. Ko zvočni valovi prehajajo skozi medij, ustvarjajo mehurčke, ki se hitro razširijo in nato nasilno zrušijo. Ta proces se imenuje akustična kavitacija. Propad mehurčkov ustvarja visokotlačne udarne valove, mikrocurke in strižne sile, ki lahko razgradijo večje delce in aglomerate na manjše delce. V ultrazvočnih disperzijskih procesih delci sami v disperziji delujejo kot rezkalni medij. Pospešeni s strižnimi silami ultrazvočne kavitacije, delci trčijo med seboj in se razbijejo na drobne delce. Ker ultrazvočno obdelani disperziji niso dodane kroglice ali biseri, se popolnoma izognemo dolgotrajnim in delovno intenzivnim ločevanjem in čiščenjem mletnih medijev ter kontaminaciji.
Zaradi tega je ultrazvočno razbijanje tako učinkovito pri razprševanju in deaglomeraciji delcev, tudi tistih, ki jih je težko razgraditi z drugimi metodami. To ima za posledico bolj enakomerno porazdelitev delcev, kar vodi do izboljšane kakovosti in učinkovitosti izdelka.
Poleg tega lahko ultrazvočno razbijanje zlahka obvladuje, razpršuje in sintetizira nanomateriale, kot so nanosfere, nanokristali, nanoplasti, nanovlakna, nanožice, delci jedra in lupine in druge kompleksne strukture.
Poleg tega se ultrazvočno razbijanje lahko izvede v razmeroma kratkem časovnem okviru, kar je velika prednost pred drugimi disperzijskimi tehnikami.

Prednosti ultrazvočnih dispergatorjev pred alternativnimi tehnologijami mešanja

Ultrazvočni dispergatorji ponujajo več prednosti pred alternativnimi tehnologijami mešanja, kot so visokotlačni homogenizatorji, rezkanje kroglic ali mešanje rotor-stator Nekatere najpomembnejše prednosti vključujejo:

• Izboljšano zmanjšanje velikosti delcev: Ultrazvočni razpršilniki lahko učinkovito zmanjšajo velikost delcev na nanometrsko območje, kar ni mogoče pri mnogih drugih tehnologijah mešanja. Zaradi tega so idealni za aplikacije, kjer je kritična fina velikost delcev.
• Hitrejše mešanje: Ultrazvočni razpršilniki lahko mešajo in razpršijo materiale hitreje kot mnoge druge tehnologije, kar prihrani čas in poveča produktivnost.
• Brez kontaminacije: Ultrazvočni dispergatorji ne zahtevajo uporabe rezkalnih medijev kot kroglic ali biserov, ki onesnažujejo disperzijo z abrazijo.
• Boljša kakovost izdelkov: Ultrazvočni razpršilniki lahko proizvajajo bolj enakomerne mešanice in suspenzije, kar ima za posledico boljšo kakovost in konsistenco izdelka. Zlasti v pretočnem načinu disperzijska gnojevka prehaja skozi ultrazvočno kavitacijsko cono na zelo nadzorovan način, kar zagotavlja zelo enotno obdelavo.
• Manjša poraba energije: Ultrazvočni razpršilniki običajno zahtevajo manj energije kot druge tehnologije, kar zmanjšuje obratovalne stroške.
• Vsestranskost: Ultrazvočni dispergatorji se lahko uporabljajo za široko paleto aplikacij, vključno s homogenizacijo, emulgiranjem, disperzijo in deaglomeracijo. Prav tako lahko ravnajo z različnimi materiali, vključno z abrazivnimi materiali, vlakni, korozivnimi tekočinami in celo plini.

Zaradi teh procesnih prednosti ter zanesljivosti in enostavnega delovanja ultrazvočni razpršilniki presegajo alternativne tehnologije mešanja, zaradi česar so priljubljena izbira za številne industrijske aplikacije.

Ultrazvočna disperzija in deaglomeracija v poljubnem obsegu

Hielscher ponuja ultrazvočne naprave za razprševanje in deaglomeracijo kateregakoli volumna za serijsko ali linijsko obdelavo. Ultrazvočne laboratorijske naprave se uporabljajo za prostornine od 1,5 ml do približno 2 l. Industrijske ultrazvočne naprave se uporabljajo pri razvoju in proizvodnji procesov za serije od 0,5 do približno 2000L ali pretoke od 0,1L do 20m³ na uro.

Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotovijo zelo visoke amplitude in s tem zanesljivo razpršijo in mletje delcev v nano-merilu. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

Prednosti ultrazvočne disperzije: enostavno povečanje

Za razliko od drugih disperzijskih tehnologij je ultrasonication mogoče enostavno povečati od laboratorija do velikosti proizvodnje. Laboratorijski testi bodo omogočili natančno izbiro zahtevane velikosti opreme. Pri uporabi v končni lestvici so rezultati postopka enaki laboratorijskim rezultatom.

Ultrazvočni aparati: robustni in enostavni za čiščenje

Ultrazvočna moč se prenaša v tekočino prek sonotrode. To je tipično rotacijski simetrični del, ki je izdelan iz trdnega titana kakovosti letal. To je tudi edini gibljivi / vibrirajoči navlaženi del. To je edini del, ki je podvržen obrabi in ga je mogoče enostavno zamenjati v nekaj minutah. Prirobnice za ločevanje nihanja omogočajo montažo sonotrode v odprte ali zaprte posode pod tlakom ali pretočne celice v kateri koli orientaciji. Ležaji niso potrebni. Vsi drugi mokri deli so običajno izdelani iz nerjavečega jekla. Reaktorji s pretočnimi celicami imajo preprosto geometrijo in jih je mogoče enostavno razstaviti in očistiti, npr. z izpiranjem in brisanjem. Ni majhnih odprtin ali skritih vogalov.

Ultrazvočni čistilnik na mestu

Ultrazvok je dobro znan po svojih čistilnih aplikacijah, kot je površinsko, čiščenje delov. Ultrazvočna intenzivnost, ki se uporablja za razprševanje, je veliko višja kot pri tipičnem ultrazvočnem čiščenju. Ko gre za čiščenje navlaženih delov ultrazvočne naprave, se lahko ultrazvočna moč uporablja za pomoč pri čiščenju med izpiranjem in izpiranjem, saj ultrazvočna / akustična kavitacija odstrani delce in tekoče ostanke iz sonotrode in iz sten pretočnih celic.

---

---

Literatura / Reference

• 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.