Ултразвучно дисперговање и деагломерација

Дисперговање и деагломерација чврстих материја у течностима представљају важну примену ултразвука велике снаге и соникатора са сондом. Ултразвучна кавитација ствара изузетно интензивно смицање које разбија агломерате честица на појединачне дисперговане честице. Захваљујући локално усмереним јаким силама смицања, соникација је идеална за добијање дисперзија са честицама микрометарских и нанометарских величина за експерименте, истраживање и развој и, наравно, за индустријску производњу.

Мешање прахова са течностима уобичајен је корак у формулисању различитих производа, као што су боје, мастила, козметички производи, напици, хидрогелови или средства за полирање. Појединачне честице држе се заједно привлачним силама различите физичке и хемијске природе, укључујући ван дер Валсове силе и површински напон течности. Овај ефекат је израженији код течности веће вискозности, као што су полимери или смоле. Привлачне силе морају се савладати како би се честице деагломерисале и дисперговале у течним срединама. У наставку прочитајте зашто су ултразвучни хомогенизатори супериорна опрема за дисперговање честица субмикрометарских и нанометарских величина у лабораторији и индустрији.

Ултразвучно дисперговање чврстих материја у течностима

Принцип рада ултразвучних хомогенизатора заснива се на феномену акустичке кавитације. Познато је да акустичка кавитација ствара интензивне физичке силе, укључујући веома јаке силе смицања. Примена механичког напрезања разбија агломерате честица. Такође, течност се под притиском утискује између честица.
За дисперговање прахова у течностима комерцијално су доступне различите технологије, као што су хомогенизатори високог притиска, млинови са куглицама и мешалицом, млинови са сударним млазевима и роторско-статорске мешалице. Међутим, ултразвучни диспергатори имају значајне предности. У наставку прочитајте како функционише ултразвучно дисперговање и које су његове предности.

 

Видео приказује ултразвучно дисперговање црвене боје помоћу уређаја UP400St са сондом S24d 22mm.

 

Принцип рада ултразвучне кавитације и дисперговања

Током соникације, високофреквентни звучни таласи стварају наизменичне области сабијања и разређивања у течној средини. Док звучни таласи пролазе кроз средину, стварају мехуриће који се брзо шире, а затим нагло колабирају. Овај процес назива се акустичка кавитација. Колапс мехурића ствара ударне таласе високог притиска, микромлазеве и силе смицања које могу да разбију веће честице и агломерате на мање честице. У процесима ултразвучног дисперговања, саме честице у дисперзији служе као медијум за млевење. Убрзане силама смицања ултразвучне кавитације, честице се међусобно сударају и разбијају на ситне фрагменте. Пошто се у дисперзију која се третира ултразвуком не додају куглице или перле, потпуно се избегавају временски захтевно и радно интензивно одвајање и чишћење медијума за млевење, као и контаминација.
То чини соникацију толико ефикасном у дисперговању и деагломерацији честица, чак и оних које је тешко разбити другим методама. Тиме се постиже равномернија расподела честица, што доводи до побољшања квалитета и перформанси производа.
Поред тога, соникацијом се могу лако обрађивати, дисперговати и синтетисати наноматеријали као што су наносфере, нанокристали, нанолистови, нановлакна, наножице, честице са језгром и омотачем и друге сложене структуре.
Осим тога, соникација се може обавити за релативно кратко време, што представља велику предност у односу на друге технике дисперговања.

Предности ултразвучних диспергатора у односу на алтернативне технологије мешања

Ултразвучни диспергатори нуде неколико предности у односу на алтернативне технологије мешања, као што су хомогенизатори високог притиска, млевење куглицама или роторско-статорско мешање. Неке од најистакнутијих предности обухватају:

• Ефикасније смањење величине честица: Ултразвучни диспергатори могу ефикасно смањити величину честица до нанометарског опсега, што није могуће многим другим технологијама мешања. То их чини идеалним за примене у којима је мала величина честица пресудна.
• Брже мешање: Ултразвучни диспергатори могу мешати и дисперговати материјале брже од многих других технологија, чиме се штеди време и повећава продуктивност.
• Без контаминације: Ултразвучни диспергатори не захтевају употребу средстава за млевење као што су куглице или перле, које абразијом контаминирају дисперзију.
• Бољи квалитет производа: Ултразвучни диспергатори могу произвести уједначеније смеше и суспензије, што доводи до бољег квалитета и уједначености производа. Нарочито у проточном режиму, суспензија која се диспергује пролази кроз зону ултразвучне кавитације на строго контролисан начин, чиме се обезбеђује веома уједначена обрада.
• Мања потрошња енергије: Ултразвучни диспергатори обично захтевају мање енергије од других технологија, чиме се смањују оперативни трошкови.
• Свестраност: Ултразвучни диспергатори могу се користити за широк спектар примена, укључујући хомогенизацију, емулговање, дисперговање и деагломерацију. Такође могу обрађивати различите материјале, укључујући абразивне материјале, влакна, корозивне течности, па чак и гасове.

Захваљујући овим предностима процеса, као и поузданости и једноставном руковању, ултразвучни диспергатори надмашују алтернативне технологије мешања, што их чини популарним избором за многе индустријске примене.

Ултразвучно дисперговање и деагломерација у свим размерама

Hielscher нуди ултразвучне уређаје за дисперговање и деагломерацију било које запремине у шаржној обради или обради у линији. Лабораторијски ултразвучни уређаји користе се за запремине од 1,5mL до приближно 2L. Индустријски ултразвучни уређаји користе се у развоју процеса и производњи за шарже од 0,5 до приближно 2000L или за протоке од 0,1L до 20m³ на сат.

Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics могу постићи веома високе амплитуде и тиме поуздано дисперговати и уситњавати честице до нанометарских размера. Непрекидан рад са амплитудама до 200µm лако се може одржавати у режиму 24/7. За још веће амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери.

Табела у наставку приказује приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја:

Ултразвучно дисперговање угљеничних наноцеви – соникатор Hielscher UP400S (400W) брзо и ефикасно диспергује и расплиће угљеничне наноцеви (CNT), раздвајајући их на појединачне наноцеви.

Предности ултразвучног дисперговања: Лако повећање размера

За разлику од других технологија дисперговања, ултразвучна обрада може се лако пренети са лабораторијских на производне размере. Лабораторијска испитивања омогућавају прецизан избор потребне величине опреме. При примени у коначним размерама, резултати процеса идентични су лабораторијским резултатима.

Ултразвучни уређаји: Робусни и лаки за чишћење

Ултразвучна снага се преноси у течност преко сонотроде. То је обично ротационо симетричан део, машински израђен од пуног титанијума ваздухопловног квалитета. То је уједно и једини покретни / вибрирајући део у контакту са течношћу. То је једини део који је подложан хабању и може се лако заменити за неколико минута. Прирубнице за изолацију осцилација омогућавају постављање сонотроде у било којој оријентацији у отворене или затворене посуде које се могу ставити под притисак или у проточне ћелије. Лежајеви нису потребни. Сви остали делови у контакту са течношћу углавном су израђени од нерђајућег челика. Реактори са проточним ћелијама имају једноставну геометрију и могу се лако раставити и очистити, нпр. испирањем и брисањем унутрашњости. Нема малих отвора нити скривених углова.

Ултразвучно чишћење на месту

Ултразвук је добро познат по примени у чишћењу, попут чишћења површина и делова. Интензитет ултразвука који се користи за дисперговање много је већи него код уобичајеног ултразвучног чишћења. При чишћењу делова ултразвучног уређаја који су у контакту са течношћу, ултразвучна снага може да помогне у чишћењу током испирања протоком и завршног испирања, јер ултразвучна / акустична кавитација уклања честице и остатке течности са сонотроде и зидова проточне ћелије.

---

---

Литература / Референце

• 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.