การกระจายตัวและการสลายกลุ่มอนุภาคด้วยอัลตราโซนิก

การกระจายตัวและการสลายกลุ่มอนุภาคของแข็งในของเหลวเป็นการประยุกต์ใช้ที่สำคัญของอัลตราซาวนด์กำลังสูงและเครื่องโซนิเคเตอร์ชนิดโพรบ คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกก่อให้เกิดแรงเฉือนสูงเป็นพิเศษ ซึ่งทำให้กลุ่มอนุภาคแตกออกเป็นอนุภาคเดี่ยวที่กระจายตัว ด้วยแรงเฉือนสูงที่มุ่งเน้นเฉพาะบริเวณ การโซนิเคชันจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตระบบกระจายตัวที่มีอนุภาคขนาดไมครอนและนาโนเพื่อการทดลอง การวิจัยและพัฒนา และแน่นอนว่ารวมถึงการผลิตในระดับอุตสาหกรรมด้วย

การผสมผงลงในของเหลวเป็นขั้นตอนทั่วไปในการจัดทำสูตรผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ เช่น สี หมึก เครื่องสำอาง เครื่องดื่ม ไฮโดรเจล หรือวัสดุขัดเงา อนุภาคแต่ละอนุภาคยึดติดกันด้วยแรงดึงดูดที่มีลักษณะทางกายภาพและเคมีหลากหลาย รวมถึงแรงแวนเดอร์วาลส์และแรงตึงผิวของของเหลว ผลนี้จะรุนแรงขึ้นในของเหลวที่มีความหนืดสูงกว่า เช่น พอลิเมอร์หรือเรซิน ต้องเอาชนะแรงดึงดูดเหล่านี้เพื่อสลายกลุ่มอนุภาคและกระจายอนุภาคลงในตัวกลางของเหลว อ่านด้านล่างเพื่อทราบว่าเหตุใดเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกจึงเป็นอุปกรณ์กระจายตัวที่เหนือกว่าสำหรับการกระจายอนุภาคขนาดต่ำกว่าไมครอนและขนาดนาโนในห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรม

การกระจายตัวของของแข็งในของเหลวด้วยอัลตราโซนิก

หลักการทำงานของเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกอาศัยปรากฏการณ์คาวิเทชันทางเสียง เป็นที่ทราบกันว่าคาวิเทชันทางเสียงก่อให้เกิดแรงทางกายภาพที่รุนแรง รวมถึงแรงเฉือนที่สูงมาก การใช้ความเค้นเชิงกลทำให้กลุ่มอนุภาคแตกออก นอกจากนี้ ของเหลวยังถูกอัดเข้าไประหว่างอนุภาคด้วย
สำหรับการกระจายผงลงในของเหลว มีเทคโนโลยีต่าง ๆ จำหน่ายในเชิงพาณิชย์ เช่น เครื่องโฮโมจีไนเซอร์แรงดันสูง เครื่องบดเม็ดบีดแบบกวน เครื่องบดแบบเจ็ตปะทะ และเครื่องผสมโรเตอร์–สเตเตอร์ อย่างไรก็ตาม เครื่องกระจายตัวอัลตราโซนิกมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ อ่านด้านล่างเพื่อทราบว่าการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกทำงานอย่างไร และมีข้อดีอะไรบ้าง

 

วิดีโอนี้สาธิตการกระจายสีแดงด้วยอัลตราโซนิกโดยใช้ UP400St พร้อมโพรบ S24d 22mm

 

หลักการทำงานของคาวิเทชันและการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิก

ระหว่างการโซนิเคชัน คลื่นเสียงความถี่สูงจะสร้างบริเวณอัดและบริเวณขยายสลับกันในตัวกลางของเหลว เมื่อคลื่นเสียงผ่านตัวกลาง จะทำให้เกิดฟองที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วแล้วยุบตัวอย่างรุนแรง กระบวนการนี้เรียกว่าคาวิเทชันทางเสียง การยุบตัวของฟองก่อให้เกิดคลื่นกระแทกแรงดันสูง ลำเจ็ตระดับจุลภาค และแรงเฉือนที่สามารถทำให้อนุภาคขนาดใหญ่และกลุ่มอนุภาคแตกออกเป็นอนุภาคที่เล็กลง ในกระบวนการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิก อนุภาคเองในระบบกระจายตัวทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการบด เมื่อถูกเร่งด้วยแรงเฉือนจากคาวิเทชันอัลตราโซนิก อนุภาคจะชนกันและแตกออกเป็นชิ้นส่วนเล็กมาก เนื่องจากไม่มีการเติมเม็ดบีดหรือเม็ดทรงกลมลงในระบบกระจายตัวที่ผ่านการบำบัดด้วยอัลตราโซนิก จึงหลีกเลี่ยงการแยกและการทำความสะอาดตัวกลางในการบดที่ใช้เวลานานและแรงงานมาก รวมทั้งการปนเปื้อนได้อย่างสมบูรณ์
สิ่งนี้ทำให้การโซนิเคชันมีประสิทธิภาพสูงในการกระจายตัวและสลายกลุ่มอนุภาค แม้แต่อนุภาคที่สลายได้ยากด้วยวิธีอื่น ส่งผลให้อนุภาคกระจายตัวสม่ำเสมอมากขึ้น ซึ่งนำไปสู่คุณภาพและสมรรถนะของผลิตภัณฑ์ที่ดีขึ้น
นอกจากนี้ การโซนิเคชันยังสามารถจัดการ กระจายตัว และสังเคราะห์วัสดุนาโนได้อย่างง่ายดาย เช่น ทรงกลมนาโน ผลึกนาโน แผ่นนาโน เส้นใยนาโน ลวดนาโน อนุภาคโครงสร้างแกน–เปลือก และโครงสร้างซับซ้อนอื่น ๆ
ยิ่งไปกว่านั้น การโซนิเคชันสามารถดำเนินการได้ภายในระยะเวลาที่ค่อนข้างสั้น ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบสำคัญเหนือเทคนิคการกระจายตัวอื่น ๆ

ข้อได้เปรียบของเครื่องกระจายตัวอัลตราโซนิกเหนือเทคโนโลยีการผสมทางเลือก

เครื่องกระจายตัวอัลตราโซนิกมีข้อได้เปรียบหลายประการเหนือเทคโนโลยีการผสมทางเลือก เช่น เครื่องโฮโมจีไนเซอร์แรงดันสูง การบดด้วยเม็ดบีด หรือการผสมแบบโรเตอร์–สเตเตอร์ ข้อได้เปรียบที่โดดเด่นที่สุดบางประการ ได้แก่:

• การลดขนาดอนุภาคที่ดีขึ้น: เครื่องกระจายตัวอัลตราโซนิกสามารถลดขนาดอนุภาคลงสู่ช่วงนาโนเมตรได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเทคโนโลยีการผสมอื่น ๆ จำนวนมากไม่สามารถทำได้ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ขนาดอนุภาคละเอียดมีความสำคัญอย่างยิ่ง
• การผสมที่รวดเร็วขึ้น: เครื่องกระจายตัวอัลตราโซนิกสามารถผสมและกระจายวัสดุได้รวดเร็วกว่าเทคโนโลยีอื่น ๆ จำนวนมาก ซึ่งช่วยประหยัดเวลาและเพิ่มผลิตภาพ
• ไม่มีการปนเปื้อน: เครื่องกระจายตัวอัลตราโซนิกไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกลางในการบด เช่น เม็ดบีดหรือเม็ดทรงกลม ซึ่งทำให้ระบบกระจายตัวปนเปื้อนจากการสึกกร่อน
• คุณภาพผลิตภัณฑ์ที่ดีขึ้น: เครื่องกระจายตัวอัลตราโซนิกสามารถผลิตส่วนผสมและสารแขวนลอยที่สม่ำเสมอมากขึ้น ส่งผลให้คุณภาพและความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์ดีขึ้น โดยเฉพาะในโหมดไหลผ่าน สลาร์รีที่มีอนุภาคกระจายตัวจะผ่านบริเวณคาวิเทชันอัลตราโซนิกภายใต้การควบคุมอย่างเข้มงวด ทำให้มั่นใจได้ว่าการบำบัดมีความสม่ำเสมอสูงมาก
• การใช้พลังงานที่ต่ำลง: โดยทั่วไป เครื่องกระจายตัวอัลตราโซนิกใช้พลังงานน้อยกว่าเทคโนโลยีอื่น ๆ ซึ่งช่วยลดต้นทุนการดำเนินงาน
• ความหลากหลายในการใช้งาน: เครื่องกระจายตัวอัลตราโซนิกสามารถใช้ได้กับงานหลากหลายประเภท รวมถึงการทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน การทำอิมัลชัน การกระจายตัว และการสลายกลุ่มอนุภาค อีกทั้งยังสามารถจัดการวัสดุได้หลากหลาย รวมถึงวัสดุขัด เส้นใย ของเหลวกัดกร่อน และแม้กระทั่งก๊าซ

ด้วยข้อได้เปรียบของกระบวนการเหล่านี้ รวมทั้งความน่าเชื่อถือและการใช้งานที่ง่าย เครื่องกระจายตัวอัลตราโซนิกจึงเหนือกว่าเทคโนโลยีการผสมทางเลือก และเป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมจำนวนมาก

การกระจายตัวและการสลายกลุ่มอนุภาคด้วยอัลตราโซนิกในทุกระดับขนาด

Hielscher มีอุปกรณ์อัลตราโซนิกสำหรับการกระจายตัวและการสลายกลุ่มอนุภาคในทุกปริมาตร สำหรับการประมวลผลแบบแบตช์หรือแบบอินไลน์ อุปกรณ์อัลตราโซนิกสำหรับห้องปฏิบัติการใช้กับปริมาตรตั้งแต่ 1.5mL ถึงประมาณ 2L อุปกรณ์อัลตราโซนิกสำหรับอุตสาหกรรมใช้ในการพัฒนากระบวนการและการผลิตสำหรับแบตช์ตั้งแต่ 0.5 ถึงประมาณ 2000L หรืออัตราการไหลตั้งแต่ 0.1L ถึง 20m³ ต่อชั่วโมง

เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกสำหรับอุตสาหกรรมของ Hielscher Ultrasonics สามารถให้แอมพลิจูดสูงมาก จึงกระจายและบดอนุภาคลงสู่ระดับนาโนได้อย่างเชื่อถือได้ สามารถใช้งานที่แอมพลิจูดสูงถึง 200µm อย่างต่อเนื่องตลอด 24/7 ได้อย่างง่ายดาย สำหรับแอมพลิจูดที่สูงกว่านี้ มีโซโนโทรดอัลตราโซนิกที่ผลิตตามข้อกำหนดเฉพาะให้เลือกใช้

ตารางด้านล่างแสดงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิเคเตอร์ของเรา:

การกระจายท่อนาโนคาร์บอนด้วยคลื่นอัลตราโซนิก – เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher UP400S (400W) ช่วยกระจายและคลายการพันกันของ CNTs ให้เป็นท่อนาโนเดี่ยวได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ

ข้อดีของการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิก: ขยายขนาดได้ง่าย

การบำบัดด้วยอัลตราโซนิกสามารถขยายขนาดจากห้องปฏิบัติการไปสู่ขนาดการผลิตได้อย่างง่ายดาย ซึ่งต่างจากเทคโนโลยีการกระจายตัวอื่น ๆ การทดสอบในห้องปฏิบัติการช่วยให้เลือกขนาดอุปกรณ์ที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ เมื่อใช้ในระดับขนาดสุดท้าย ผลลัพธ์ของกระบวนการจะเหมือนกับผลลัพธ์ในห้องปฏิบัติการทุกประการ

เครื่องอัลตราโซนิเคเตอร์: แข็งแรงทนทานและทำความสะอาดง่าย

กำลังอัลตราโซนิกถูกส่งเข้าสู่ของเหลวผ่านโซโนโทรด โดยทั่วไป ชิ้นส่วนนี้มีสมมาตรรอบแกนหมุนและผลิตด้วยการตัดเฉือนจากไทเทเนียมตันเกรดอากาศยาน ทั้งยังเป็นชิ้นส่วนที่สัมผัสของเหลวเพียงชิ้นเดียวที่เคลื่อนไหว / สั่น เป็นชิ้นส่วนเดียวที่เกิดการสึกหรอ และสามารถเปลี่ยนได้ง่ายภายในไม่กี่นาที หน้าแปลนแยกการสั่นช่วยให้ติดตั้งโซโนโทรดในภาชนะแบบเปิดหรือแบบปิดที่สามารถรับแรงดันได้ หรือในเซลล์การไหล ในทิศทางใดก็ได้ ไม่จำเป็นต้องใช้ตลับลูกปืน โดยทั่วไป ชิ้นส่วนอื่น ๆ ทั้งหมดที่สัมผัสของเหลวทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม เครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหลมีรูปทรงที่เรียบง่ายและสามารถถอดประกอบและทำความสะอาดได้ง่าย เช่น โดยการล้างด้วยของเหลวไหลผ่านและเช็ดภายใน ไม่มีรูเปิดขนาดเล็กหรือมุมซ่อนเร้น

การทำความสะอาดในที่ด้วยอัลตราโซนิก

อัลตราซาวนด์เป็นที่รู้จักกันดีในการใช้งานทำความสะอาด เช่น การทำความสะอาดพื้นผิวและชิ้นส่วน ความเข้มอัลตราโซนิกที่ใช้สำหรับงานกระจายตัวสูงกว่าที่ใช้ในการทำความสะอาดด้วยอัลตราโซนิกทั่วไปมาก สำหรับการทำความสะอาดชิ้นส่วนของอุปกรณ์อัลตราโซนิกที่สัมผัสของเหลว สามารถใช้กำลังอัลตราโซนิกช่วยทำความสะอาดระหว่างการล้างด้วยของเหลวไหลผ่านและการล้างชะได้ เนื่องจากคาวิเทชันอัลตราโซนิก / ทางเสียงจะขจัดอนุภาคและของเหลวตกค้างออกจากโซโนโทรดและผนังเซลล์การไหล

---

---

เอกสารวิชาการ / เอกสารอ้างอิง

• 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.