Ultrazvočno dispergiranje in deaglomeracija

Dispergiranje in deaglomeracija trdnih snovi v tekočinah sta pomembni področji uporabe močnostnega ultrazvoka in sonikatorjev s sondo. Ultrazvočna kavitacija ustvarja izredno velik strig, ki aglomerate delcev razbije na posamezne dispergirane delce. Zaradi lokalno osredotočenih velikih strižnih sil je sonikacija idealna za pripravo disperzij z delci mikrometrskih in nanometrskih velikosti za poskuse, raziskave in razvoj ter seveda za industrijsko proizvodnjo.

Vmešavanje praškov v tekočine je običajen korak pri formuliranju različnih izdelkov, kot so barve, črnila, kozmetični izdelki, pijače, hidrogeli ali polirna sredstva. Posamezne delce skupaj držijo privlačne sile različne fizikalne in kemijske narave, vključno z van der Waalsovimi silami in površinsko napetostjo tekočine. Ta učinek je močnejši pri tekočinah z večjo viskoznostjo, kot so polimeri ali smole. Za deaglomeracijo in dispergiranje delcev v tekočih medijih je treba premagati privlačne sile. V nadaljevanju preberite, zakaj so ultrazvočni homogenizatorji vrhunska oprema za dispergiranje delcev submikrometrskih in nanometrskih velikosti v laboratoriju in industriji.

Ultrazvočno dispergiranje trdnih snovi v tekočinah

Načelo delovanja ultrazvočnih homogenizatorjev temelji na pojavu akustične kavitacije. Znano je, da akustična kavitacija ustvarja intenzivne fizikalne sile, vključno z zelo močnimi strižnimi silami. Mehanske napetosti razbijejo aglomerate delcev. Med delce se vtisne tudi tekočina.
Za dispergiranje praškov v tekočinah so na trgu na voljo različne tehnologije, kot so visokotlačni homogenizatorji, kroglični mlini z mešalom, mlini z udarjajočimi curki in rotorsko-statorski mešalniki. Vendar imajo ultrazvočni dispergatorji pomembne prednosti. V nadaljevanju preberite, kako deluje ultrazvočno dispergiranje in kakšne so njegove prednosti.

 

Videoposnetek prikazuje ultrazvočno dispergiranje rdečega barvila z UP400St in sondo S24d 22mm.

 

Načelo delovanja ultrazvočne kavitacije in dispergiranja

Med sonikacijo visokofrekvenčni zvočni valovi v tekočem mediju ustvarjajo izmenjujoča se območja zgoščevanja in redčenja. Ko zvočni valovi potujejo skozi medij, ustvarjajo mehurčke, ki se hitro širijo in nato silovito sesedejo. Ta proces imenujemo akustična kavitacija. Sesedanje mehurčkov ustvarja visokotlačne udarne valove, mikrocurke in strižne sile, ki lahko večje delce in aglomerate razbijejo na manjše delce. Pri ultrazvočnem dispergiranju sami delci v disperziji delujejo kot mlevni medij. Strižne sile ultrazvočne kavitacije pospešijo delce, ki trkajo drug ob drugega in se razbijejo na drobne fragmente. Ker se ultrazvočno obdelani disperziji ne dodajajo kroglice ali biseri, se povsem izognemo časovno zamudnemu in delovno zahtevnemu ločevanju in čiščenju mlevnih medijev ter kontaminaciji.
Zato je sonikacija tako učinkovita pri dispergiranju in deaglomeraciji delcev, tudi tistih, ki jih je z drugimi metodami težko razbiti. Rezultat je enakomernejša porazdelitev delcev, kar izboljša kakovost in učinkovitost izdelka.
Poleg tega je s sonikacijo mogoče preprosto obdelovati, dispergirati in sintetizirati nanomateriale, kot so nanokrogle, nanokristali, nanoploščice, nanovlakna, nanožice, delci z jedrom in lupino ter druge kompleksne strukture.
Sonikacijo je mogoče izvajati tudi v razmeroma kratkem času, kar je velika prednost pred drugimi tehnikami dispergiranja.

Prednosti ultrazvočnih dispergatorjev pred alternativnimi tehnologijami mešanja

Ultrazvočni dispergatorji ponujajo več prednosti pred alternativnimi tehnologijami mešanja, kot so visokotlačni homogenizatorji, mletje s kroglicami ali rotorsko-statorsko mešanje. Med najizrazitejše prednosti sodijo:

• Boljše zmanjševanje velikosti delcev: Ultrazvočni dispergatorji lahko učinkovito zmanjšajo velikost delcev na nanometrsko območje, kar pri številnih drugih tehnologijah mešanja ni mogoče. Zato so idealni za uporabo, pri kateri je majhna velikost delcev ključnega pomena.
• Hitrejše mešanje: Ultrazvočni dispergatorji lahko materiale mešajo in dispergirajo hitreje kot številne druge tehnologije, kar prihrani čas in poveča produktivnost.
• Brez kontaminacije: Ultrazvočni dispergatorji ne zahtevajo uporabe mlevnih medijev, kot so kroglice ali biseri, ki zaradi obrabe kontaminirajo disperzijo.
• Boljša kakovost izdelka: Ultrazvočni dispergatorji lahko ustvarijo enakomernejše zmesi in suspenzije, kar izboljša kakovost in stalnost lastnosti izdelka. Zlasti pri pretočnem načinu disperzijska suspenzija prehaja skozi območje ultrazvočne kavitacije na zelo nadzorovan način, kar zagotavlja zelo enakomerno obdelavo.
• Manjša poraba energije: Ultrazvočni dispergatorji običajno potrebujejo manj energije kot druge tehnologije, kar zmanjšuje obratovalne stroške.
• Vsestranskost: Ultrazvočne dispergatorje je mogoče uporabljati za številne namene, vključno s homogenizacijo, emulgiranjem, dispergiranjem in deaglomeracijo. Obdelujejo lahko tudi različne materiale, vključno z abrazivnimi materiali, vlakni, korozivnimi tekočinami in celo plini.

Zaradi teh procesnih prednosti ter zanesljivosti in preprostega upravljanja ultrazvočni dispergatorji prekašajo alternativne tehnologije mešanja, zato so priljubljena izbira za številne industrijske uporabe.

Ultrazvočno dispergiranje in deaglomeracija v poljubnem merilu

Hielscher ponuja ultrazvočne naprave za dispergiranje in deaglomeracijo poljubne prostornine pri šaržni ali linijski obdelavi. Ultrazvočne laboratorijske naprave se uporabljajo za prostornine od 1,5mL do približno 2L. Industrijske ultrazvočne naprave se uporabljajo pri razvoju procesov in v proizvodnji za šarže od 0,5 do približno 2000L ali pretoke od 0,1L do 20m³ na uro.

Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude ter tako zanesljivo dispergirajo in meljejo delce do nanometrskih velikosti. Pri amplitudah do 200µm lahko brez težav delujejo neprekinjeno v režimu 24/7. Za še višje amplitude so na voljo ultrazvočne sonotrode po meri.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih sonikatorjev:

Ultrazvočno dispergiranje ogljikovih nanocevk – sonikator Hielscher UP400S (400W) hitro in učinkovito dispergira ter razpleta ogljikove nanocevke (CNT) v posamezne nanocevke.

Prednosti ultrazvočnega dispergiranja: preprost prenos v večje merilo

V primerjavi z drugimi tehnologijami dispergiranja je ultrazvočno obdelavo mogoče preprosto prenesti iz laboratorijskega v proizvodno merilo. Laboratorijski preizkusi omogočajo natančno izbiro potrebne velikosti opreme. Pri uporabi v končnem merilu so rezultati procesa enaki laboratorijskim rezultatom.

Ultrazvočni sonikatorji: robustni in preprosti za čiščenje

Ultrazvočna moč se v tekočino prenaša prek sonotrode. To je običajno rotacijsko simetričen del, ki je strojno izdelan iz masivnega titana letalske kakovosti. To je tudi edini gibljivi / vibrirajoči del v stiku s tekočino. Je edini del, ki je izpostavljen obrabi, in ga je mogoče preprosto zamenjati v nekaj minutah. Prirobnice za ločevanje nihanja omogočajo namestitev sonotrode v odprte ali zaprte posode, ki jih je mogoče tlačiti, ali v pretočne celice v poljubni usmeritvi. Ležaji niso potrebni. Vsi drugi deli v stiku s tekočino so praviloma izdelani iz nerjavnega jekla. Reaktorji s pretočno celico imajo preprosto geometrijo in jih je mogoče zlahka razstaviti ter očistiti, na primer z izpiranjem in brisanjem notranjosti. Nimajo majhnih odprtin ali skritih kotov.

Ultrazvočno čiščenje na mestu

Ultrazvok je dobro poznan po uporabi za čiščenje, na primer za čiščenje površin in delov. Intenziteta ultrazvoka, ki se uporablja za dispergiranje, je precej višja kot pri običajnem ultrazvočnem čiščenju. Pri čiščenju delov ultrazvočne naprave, ki so v stiku s tekočino, je mogoče ultrazvočno moč uporabiti kot pomoč pri čiščenju med pretočnim izpiranjem in spiranjem, saj ultrazvočna / akustična kavitacija odstranjuje delce in ostanke tekočine s sonotrode in sten pretočne celice.

---

---

Literatura / Viri

• 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.