Razprševanje in razčlenjenje trdnih snovi v tekočine je pomembna uporaba ultrazvočnih in sondnih sonikatorjev. Ultrazvočna kavitacija ustvarja izredno visoko strižo, ki strmi delce na enojne razpršene delce. Zaradi lokalno usmerjenih visoko strižnih sil je sonication idealen za proizvodnjo mircon- in nano-velikosti disperzije za eksperimentiranje, raziskave in razvoj, in seveda za industrijsko proizvodnjo.

Mešanje praškov v tekočine je pogost korak pri oblikovanju različnih izdelkov, kot so barva, črnilo, kozmetika, pijače, hidrogeli ali poliranje medijev. Posamezne delce skupaj držijo privlačne sile različnih fizikalne in kemične narave, vključno z van der Waals silami in napetostjo tekoče površine. Ta učinek je močnejši za tekočine višje viskoznosti, kot so polimeri ali smole. Privlačne sile je treba premagati, da se delci razčlenijo in razpršijo v tekoče medije. V nadaljevanju preberite, zakaj so ultrazvočni homogenizatorji vrhunska razpršilna oprema za disperzijo submikron- in nano-velikih delcev v laboratoriju in industriji.

Ultrazvočno razpršitev trdnih snovi v tekočine

Delovno načelo ultrazvočnih homogenizatorjev temelji na pojavu akustične kavitacije. Akustična kavitacija je znana po tem, da ustvarja intenzivne fizične sile, vključno z zelo močnimi štrlečimi silami. Uporaba mehanskega stresa loči delce narazen. Prav tako je tekočina pritisnjena med delci.
Medtem ko so za razprševanje praškov v tekočine komercialno na voljo različne tehnologije, kot so visokotlačni homogenizatorji, mlini za agitatorske žarnice, impinging jet mlini in mešalnik rotor-stator. Vendar imajo ultrazvočni razpršilci pomembne prednosti. Preberite spodaj, kako deluje ultrazvočna disperzija in kakšne so prednosti ultrazvočnega razpršenja.

 

 

Delovno načelo ultrazvočne kavitacije in disperzije

Med sonikacijo visoko frekvenčni zvočni valovi ustvarjajo izmenične predele stiskanja in redkega učinka v tekočem mediju. Ko zvočni valovi minejo skozi medij, ustvarjajo mehurčke, ki se hitro širijo in nato nasilno propadajo. Ta proces se imenuje akustična kavitacija. Sesuvanje mehurčkov ustvarja visokotlačne udarne valove, mikrojete in šilne sile, ki lahko razčlenijo večje delce in strdijo na manjše delce. V ultrazvočnih procesih disperzije, delci sami v disperzijo funkcijo kot rezkanje medij. Pospešeni z omejevnimi silami ultrazvočne kavitacije, delci trčijo med seboj in se raztreščijo v drobce. Ker se ultrazvočno obdelani disperziji ne dodajajo niti perlice niti biseri, se povsem izogibamo zamudnemu in delovno intenzivnemu ločevanju in čiščenju mletja medijev ter onesnaženju.
Zaradi tega je sonication tako učinkovit pri razpršenju in deagglomerating delcih, tudi tistih, ki jih je težko razčleniti z drugimi metodami. To ima za rezultat enotnejšo porazdelitev delcev, kar vodi k izboljšani kakovosti in učinkovitosti izdelkov.
Poleg tega lahko sonication zlahka obravnava, razprši in sintetizira nanomateriale, kot so nanosfere, nanofristali, nano-listi, nanofibre, nano žice, delci jedrne školjke in druge kompleksne strukture.
Poleg tega je mogoče sonication izvajati v razmeroma kratkem časovnem okviru, kar je velika prednost pred drugimi disperzijo tehnike.

Prednosti ultrazvočnih razpršilnikov pred alternativnimi mešalnimi tehnologijami

Ultrazvočni razpršilci ponujajo več prednosti pred alternativnimi tehnologijami mešanja, kot so visokotlačni homogenizatorji, rezkanje žarnice ali mešanje rotor-statorja. Nekatere izmed najbolj izobesnih prednosti vključujejo:

• Izboljšano zmanjšanje velikosti delcev: Ultrazvočni razpršilci lahko učinkovito zmanjšajo velikosti delcev na območje nanometra, kar ni mogoče z mnogimi drugimi mešalnimi tehnologijami. Zaradi tega so idealni za aplikacije, kjer je velika velikost delcev kritična.
• Hitrejše mešanje: Ultrazvočni razpršilci lahko zmešajo in razpršijo materiale hitreje kot številne druge tehnologije, kar prihrani čas in poveča produktivnost.
• Ni kontaminacije: Ultrazvočni razpršilniki ne zahtevajo uporabe rezkalnega medija auch kot perle ali biseri, ki kontaminacijo disperzijo z odrgnino.
• Boljša kakovost izdelka: Ultrazvočni razpršilci lahko proizvajajo bolj enotne mešanice in vzmetenja, kar ima za posledico boljšo kakovost in doslednost izdelkov. Še posebej v načinu pretoka, disperzija slurry mimo ultrazvočno kavitacijo cono na zelo nadzorovan način, ki zagotavlja zelo enotno zdravljenje.
• Manjša poraba energije: Ultrazvočni razpršilci običajno zahtevajo manj energije kot druge tehnologije, kar zmanjšuje stroške delovanja.
• Vsestranskost: Ultrazvočni razpršilci se lahko uporabljajo za široko paleto aplikacij, vključno s homogenizacijo, emulgacijo, disperzijo in deaglomeracijo. Prav tako lahko ravnajo z različnimi materiali, vključno z abrazivnimi materiali, vlakni, jedko tekočino, in celo plini.

Zaradi teh prednosti procesa kot tudi zanesljivosti in preprostega delovanja, ultrazvočni razpršilci outcompete alternativne tehnologije mešanja, ki jih priljubljena izbira za številne industrijske aplikacije.

Ultrazvočno razpršitev in deagglomeration v kateri koli lestvici

Hielscher ponuja ultrazvočne naprave za razpršitev in razčlenjevanje katerega koli volumna za obdelavo serije ali inline obdelave. Ultrazvočne laboratorijske naprave se uporabljajo za volumne od 1,5mL do približno 2L. Industrijske ultrazvočne naprave se uporabljajo v procesu razvoja in proizvodnje za sečnje od 0,5 do približno 2000L ali pretoka od 0,1L do 20m³ na uro.

Hielscher Ultrasonics industrijski ultrazvočni procesorji lahko dostavijo zelo visoke amplitude, s čimer zanesljivo razprši in rezkanje delcev na nano lestvico. Amplitude do 200μm je mogoče brez težav neprekinjeno izvajati v 24/7 operaciji. Za še višje amplitude so na voljo prilagojeni ultrazvočni sonotrodi.

V spodnji tabeli vam daje podatek o približni zmogljivosti obdelave naših ultrasonicators:

Prednosti ultrazvočne disperzije: enostavno za povešati

Drugačno od drugih tehnologij razpršitve, ultrasonication se lahko enostavno povešajo iz laboratorija v velikost proizvodnje. Laboratorijski testi bodo omogočili natančno izbiro zahtevane velikosti opreme. Pri uporabi v končnem obsegu so rezultati procesa enaki laboratorijskim rezultatom.

Ultrasonicatorji: robusten in enostaven za čiščenje

Ultrazvočna moč se prenaša v tekočino preko sonotrode. To je običajno rotacijski simetrični del, ki je strojen iz masivnega titana kakovosti letal. To je tudi edini gibajoči / vibrirajoči zmočen del. To je edini del, ki je predmet nošnje in ga je mogoče zlahka nadomestiti v nekaj minutah. Nihajoče-nevezane prirobnice omogočajo namestitev sonotrode v odprte ali zaprte posode pod pritiskom ali pretočni celice v kateri koli orientaciji. Ležaji niso potrebna. Vsi drugi zmoljeni deli so na splošno izdelani iz nerjavečega jekla. Reaktorji pretoknih celic imajo preproste geometrije in jih je mogoče zlahka razstaviti in očistiti, npr. Ni majhnih odprtišč ali skritih vogalov.

Ultrazvočni čistilec na mestu

Ultrazvok je dobro znan po svojih čistilnih aplikacijah, taki površini, delnem čiščenju. Ultrazvočna intenzivnost, ki se uporablja za disperzijo aplikacij, je veliko višja kot za tipično ultrazvočno čiščenje. Ko gre za čiščenje namočenih delov ultrazvočne naprave, se lahko ultrazvočna moč uporablja za pomoč pri čiščenju med izpiranje in izpiranje, saj ultrazvočna / akustična kavitacija odstrani delce in tekoče ostanke iz sonotrode in iz stene 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.