Ultraljud dispergering och deagglomeration

Dispersion och deagglomerering av fasta ämnen i vätskor är en viktig tillämpning av ultraljud och sond-typ sonikatorer. Ultraljudskavitation genererar utomordentligt hög skjuvning som bryter partikelagglomerat till enstaka dispergerade partiklar. På grund av dess lokalt fokuserade höga skjuvkrafter, ultraljudsbehandling är idealisk för att producera mircon- och nano-storlek dispersioner för experiment, forskning och utveckling, och naturligtvis för industriell produktion.

Blandningen av pulver i vätskor är ett vanligt steg i formuleringen av olika produkter, såsom färg, bläck, kosmetika, drycker, hydrogeler eller polermedel. De enskilda partiklarna hålls samman av attraktionskrafter av olika fysikaliska och kemiska natur, inklusive 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 deagglomerera och sprida partiklarna i flytande medier. Läs nedan varför ultraljudshomogenisatorer är den överlägsna dispergeringsutrustningen för dispersion av submikron- och nanopartiklar i labb och industri.

Ultraljudsdispergering av fasta ämnen i vätskor

Arbetsprincipen för ultraljudshomogenisatorer är baserad på fenomenet akustisk kavitation. Akustisk kavitation är känd för att skapa intensiva fysiska krafter, inklusive mycket starka skjuvkrafter. Appliceringen av mekanisk spänning bryter sönder partikelagglomeraten. Dessutom pressas vätska mellan partiklarna.
För dispergering av pulver till vätskor finns det kommersiellt tillgängliga olika tekniker, t.ex. högtryckshomogenisatorer, kvarnar för omrörare, kvarnar för impingstråle och rotor-stator-blandare. Emellertid, ultraljud dispergeringsmedel har betydande fördelar. Läs nedan hur ultraljudsdispersion fungerar och vilka fördelarna med ultraljudsdispersion är.

 

 

Arbetsprincipen för ultraljud kavitation och dispersion

Under ultraljudsbehandling skapar högfrekventa ljudvågor alternerande områden av kompression och sällsynthet i det flytande mediet. När ljudvågorna passerar genom mediet skapar de bubblor som snabbt expanderar och sedan kollapsar våldsamt. Denna process kallas akustisk kavitation. Kollapsen av bubblorna genererar chockvågor under högt tryck, mikrojetstrålar och skjuvkrafter som kan bryta ner större partiklar och agglomerat till mindre partiklar. I ultraljudsdispersionsprocesser fungerar själva partiklarna i dispersionen som malningsmedium. Accelererade av skjuvkrafterna från ultraljudskavitation kolliderar partiklarna med varandra och splittras i små bitar. Eftersom inga pärlor eller pärlor tillsätts till den ultraljudsbehandlade dispersionen, undviks helt den tidskrävande och arbetsintensiva separationen och rengöringen av malmedia samt kontaminering.
Detta gör ultraljudsbehandling så effektiv i att sprida och deagglomerera partiklar, även de som är svåra att bryta ner med andra metoder. Detta resulterar i 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, kärnskalpartiklar och andra komplexa strukturer.
Dessutom kan ultraljudsbehandling utföras inom en relativt kort tidsram, vilket är en stor fördel jämfört med andra dispersionstekniker.

Fördelar med ultraljudsdispergeringsmedel jämfört med alternativa blandningstekniker

Ultraljudsdispergeringsmaskiner erbjuder flera fördelar jämfört med alternativa blandningstekniker som högtryckshomogenisatorer, pärlfräsning eller rotor-statorblandning. Några av de mest framträdande fördelarna inkluderar:

• Förbättrad minskning av partikelstorlek: Ultraljudsdispergeringsmedel kan effektivt minska partikelstorlekarna till nanometerområdet, vilket inte är möjligt med många andra blandningstekniker. Detta gör dem idealiska för applikationer där en fin partikelstorlek är kritisk.
• Snabbare blandning: Ultraljudsdispergeringsmedel kan blanda och dispergera material snabbare än många andra tekniker, vilket sparar tid och ökar produktiviteten.
• Ingen förorening: Ultraljudsdispergeringsmedel kräver inte användning av malmedia auch som pärlor eller pärlor, som förorenar dispersionen genom nötning.
• Bättre produktkvalitet: Ultraljudsdispergeringsmedel kan producera mer enhetliga blandningar och suspensioner, vilket resulterar i bättre produktkvalitet och konsistens. Speciellt i genomströmningsläge passerar dispersionsuppslamningen ultraljudskavitationszonen på ett mycket kontrollerat sätt vilket säkerställer en mycket enhetlig behandling.
• Lägre energiförbrukning: Ultraljudsdispergeringsmaskiner kräver vanligtvis mindre energi än andra tekniker, vilket minskar driftskostnaderna.
• Mångsidighet: Ultraljudsdispergeringsmedel kan användas för ett brett spektrum av applikationer, inklusive homogenisering, emulgering, dispersion och deagglomerering. De kan också hantera en mängd olika material, inklusive slipande material, fibrer, frätande vätskor och till och med gaser.

På grund av dessa processfördelar samt tillförlitlighet och enkel drift konkurrerar ultraljudsdispergeringsmedel ut alternativa blandningstekniker, vilket gör dem till ett populärt val för många industriella applikationer.

Ultraljudsdispergering och deagglomeration i vilken skala som helst

Hielscher erbjuder ultraljudsenheter för dispergering och deagglomerering av vilken volym som helst för batch- eller inline-bearbetning. Ultraljudslaboratorier används för volymer från 1,5 ml till ca 2 liter. Industriella ultraljudsenheter används i processutveckling och produktion för batcher från 0,5 till ca 2000L eller flödeshastigheter från 0,1L till 20m³ per timme.

Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och därmed på ett tillförlitligt sätt sprida och fräsa partiklar till nanoskala. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Fördelar med ultraljudsdispersion: Lätt att skala upp

Till skillnad från andra dispergeringstekniker kan ultraljud enkelt skalas upp från labb till produktionsstorlek. Laboratorietester gör det möjligt att välja den nödvändiga utrustningsstorleken exakt. När de används i slutlig skala är processresultaten identiska med laboratorieresultaten.

Ultraljudsapparater: Robusta och lätta att rengöra

Ultraljudseffekt överförs till vätskan via en sonotrode. Detta är en typiskt roterande symmetrisk del, som är bearbetad av solid titan av flygplanskvalitet. Detta är också den enda rörliga/vibrerande fuktade delen. Det är den enda delen, som är utsatt för slitage och den kan enkelt bytas ut inom några minuter. Oscillationsfrikopplingsflänsar gör det möjligt att montera sonotroden i öppna eller stängda trycksättningsbara behållare eller flödesceller i vilken riktning som helst. Inga lager behövs. Alla andra delar som kommer i kontakt med mediet är i allmänhet gjorda av rostfritt stål. Flödescellsreaktorer har enkla geometrier och kan enkelt demonteras och rengöras, t.ex. genom att spolas och torkas ut. Det finns inga små öppningar eller dolda hörn.

Ultraljudsrengörare på plats

Ultraljud är välkänt för sina rengöringsapplikationer, såsom en yta, delrengöring. Ultraljudsintensiteten som används för dispergeringsapplikationer är mycket högre än för typisk ultraljudsrengöring. När det gäller rengöring av de våta delarna av ultraljudsanordningen kan ultraljudskraften användas för att underlätta rengöring under spolning och sköljning, eftersom ultraljudet / akustisk kavitation tar bort partiklar och vätskerester från sonotroden och från flödescellväggarna.

---

---

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.