Ultraljudsdispergering och deagglomerering

Dispergering och deagglomerering av fasta ämnen i vätskor är en viktig tillämpning för högeffektsultraljud och ultraljudsapparater av sondtyp. Ultraljudskavitation genererar extraordinärt kraftig skjuvning som bryter upp partikelagglomerat till enskilda dispergerade partiklar. Tack vare de lokalt koncentrerade höga skjuvkrafterna är ultraljudsbehandling idealisk för att framställa dispersioner med partiklar i mikro- och nanostorlek för experiment, forskning och utveckling och naturligtvis för industriell produktion.

Inblandning av pulver i vätskor är ett vanligt steg vid formulering av olika produkter, såsom färg, bläck, kosmetika, drycker, hydrogeler eller polermedel. De enskilda partiklarna hålls samman av attraktionskrafter av olika fysikalisk och kemisk natur, däribland van der Waals-krafter och vätskans ytspänning. Denna effekt är starkare för vätskor med högre viskositet, såsom polymerer eller hartser. Attraktionskrafterna måste övervinnas för att partiklarna ska kunna deagglomereras och dispergeras i flytande medier. Läs nedan om varför ultraljudshomogenisatorer är den överlägsna dispergeringsutrustningen för dispergering av partiklar i submikron- och nanostorlek i laboratorier och industri.

Ultraljudsdispergering av fasta ämnen i vätskor

Ultraljudshomogenisatorernas funktionsprincip bygger på fenomenet akustisk kavitation. Akustisk kavitation är känd för att skapa intensiva fysikaliska krafter, däribland mycket starka skjuvkrafter. Den mekaniska påfrestningen bryter upp partikelagglomeraten. Dessutom pressas vätska in mellan partiklarna.
För dispergering av pulver i vätskor finns olika tekniker kommersiellt tillgängliga, såsom högtryckshomogenisatorer, omrörarkulkvarnar, strålkvarnar med kolliderande strålar och rotor–statorblandare. Ultraljudsdispergerare har dock betydande fördelar. Läs nedan om hur ultraljudsdispergering fungerar och vilka fördelar ultraljudsdispergering har.

 

Videon visar ultraljudsdispergering av rött färgämne med UP400St och en S24d-sonotrod på 22mm.

 

Funktionsprincipen för ultraljudskavitation och dispergering

Under ultraljudsbehandling skapar högfrekventa ljudvågor omväxlande områden med kompression och förtunning i det flytande mediet. När ljudvågorna passerar genom mediet skapar de bubblor som snabbt expanderar och sedan kollapsar våldsamt. Denna process kallas akustisk kavitation. Bubblornas kollaps genererar högtrycksstötvågor, mikrostrålar och skjuvkrafter som kan bryta ned större partiklar och agglomerat till mindre partiklar. Vid ultraljudsdispergering fungerar partiklarna i dispersionen själva som malningsmedium. Partiklarna accelereras av ultraljudskavitationens skjuvkrafter, kolliderar med varandra och splittras i mycket små fragment. Eftersom inga kulor eller pärlor tillsätts till den ultraljudsbehandlade dispersionen undviks helt den tidskrävande och arbetsintensiva separationen och rengöringen av malningsmedier samt kontaminering.
Detta gör ultraljudsbehandling så effektiv för dispergering och deagglomerering av partiklar, även sådana som är svåra att bryta ned med andra metoder. Detta ger en jämnare fördelning av partiklar, vilket leder till förbättrad produktkvalitet och prestanda.
Dessutom kan ultraljudsbehandling enkelt hantera, dispergera och syntetisera nanomaterial såsom nanosfärer, nanokristaller, nanoark, nanofibrer, nanotrådar, kärna–skal-partiklar och andra komplexa strukturer.
Vidare kan ultraljudsbehandling utföras på relativt kort tid, vilket är en stor fördel jämfört med andra dispergeringstekniker.

Fördelar med ultraljudsdispergerare jämfört med alternativa blandningstekniker

Ultraljudsdispergerare erbjuder flera fördelar jämfört med alternativa blandningstekniker såsom högtryckshomogenisatorer, kulmalning eller rotor–statorblandning. Några av de mest framträdande fördelarna är:

• Förbättrad partikelstorleksreduktion: Ultraljudsdispergerare kan effektivt minska partikelstorlekar till nanometerområdet, vilket inte är möjligt med många andra blandningstekniker. Detta gör dem idealiska för tillämpningar där en liten partikelstorlek är avgörande.
• Snabbare blandning: Ultraljudsdispergerare kan blanda och dispergera material snabbare än många andra tekniker, vilket sparar tid och ökar produktiviteten.
• Ingen kontaminering: Ultraljudsdispergerare kräver inga malmedier såsom kulor eller pärlor, vilka kontaminerar dispersionen genom nötning.
• Bättre produktkvalitet: Ultraljudsdispergerare kan framställa mer enhetliga blandningar och suspensioner, vilket ger bättre och jämnare produktkvalitet. Särskilt vid genomflödesdrift passerar dispersionsslurryn ultraljudets kavitationszon på ett mycket kontrollerat sätt, vilket säkerställer en mycket jämn behandling.
• Lägre energiförbrukning: Ultraljudsdispergerare kräver vanligtvis mindre energi än andra tekniker, vilket minskar driftskostnaderna.
• Mångsidighet: Ultraljudsdispergerare kan användas för ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive homogenisering, emulgering, dispergering och deagglomerering. De kan även hantera en mängd olika material, inklusive abrasiva material, fibrer, korrosiva vätskor och till och med gaser.

Tack vare dessa processfördelar samt tillförlitlighet och enkel användning överträffar ultraljudsdispergerare alternativa blandningstekniker, vilket gör dem till ett populärt val för många industriella tillämpningar.

Ultraljudsdispergering och deagglomerering i alla skalor

Hielscher erbjuder ultraljudsapparater för dispergering och deagglomerering av alla volymer vid satsvis bearbetning eller inlinebearbetning. Ultraljudsapparater för laboratorier används för volymer från 1,5mL till cirka 2L. Industriella ultraljudsapparater används inom processutveckling och produktion för satser från 0,5 till cirka 2000L eller flödeshastigheter från 0,1L till 20m³ per timme.

Industriella ultraljudsprocessorer från Hielscher Ultrasonics kan leverera mycket höga amplituder och därmed tillförlitligt dispergera och mala partiklar till nanoskala. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder.

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

Dispergering av kolnanorör med ultraljud – Hielschers ultraljudsprocessor UP400S (400W) dispergerar och separerar snabbt och effektivt sammanflätade CNT till enskilda nanorör.

Fördelar med ultraljudsdispergering: Enkel uppskalning

Till skillnad från andra dispergeringstekniker kan ultraljudsbehandling enkelt skalas upp från laboratorieskala till produktionsskala. Laboratorietester gör det möjligt att välja rätt utrustningsstorlek med precision. Vid användning i den slutliga skalan är processresultaten identiska med laboratorieresultaten.

Ultraljudsapparater: Robusta och lätta att rengöra

Ultraljudseffekt överförs till vätskan via en sonotrod. Detta är en vanligtvis rotationssymmetrisk del som bearbetas ur massivt titan av flygplanskvalitet. Detta är också den enda rörliga / vibrerande medieberörda delen. Det är den enda delen som utsätts för slitage, och den kan enkelt bytas ut inom några minuter. Vibrationsfrikopplande flänsar gör det möjligt att montera sonotroden i öppna eller slutna trycksättningsbara behållare eller flödesceller i valfri orientering. Inga lager behövs. Alla andra medieberörda delar är i allmänhet tillverkade av rostfritt stål. Flödescellsreaktorer har enkla geometrier och kan enkelt demonteras och rengöras, t.ex. genom spolning och avtorkning invändigt. Det finns inga små öppningar eller dolda hörn.

Rengöring på plats med ultraljud

Ultraljud är välkänt för sina rengöringstillämpningar, såsom yt- och detaljrengöring. Ultraljudsintensiteten som används för dispergeringstillämpningar är mycket högre än vid typisk ultraljudsrengöring. Vid rengöring av ultraljudsutrustningens medieberörda delar kan ultraljudseffekten användas för att underlätta rengöringen under spolning och sköljning, eftersom ultraljudskavitationen / den akustiska kavitationen avlägsnar partiklar och vätskerester från sonotroden och flödescellens väggar.

---

---

Litteratur / Referenser

• 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.