Ultrasonik Dispersiyon ve Deaglomerasyon

Katıların sıvılar içinde disperse edilmesi ve deaglomerasyonu, güç ultrasonunun ve prob tipi sonikatörlerin önemli bir uygulamasıdır. Ultrasonik kavitasyon, parçacık aglomeralarını ayrı ayrı disperse olmuş parçacıklara ayıran olağanüstü yüksek kesme kuvvetleri oluşturur. Yerel olarak yoğunlaşan yüksek kesme kuvvetleri sayesinde sonikasyon, deneyler, araştırma ve geliştirme ve elbette endüstriyel üretim için mikron ve nano boyutlu dispersiyonlar üretmek açısından idealdir.

Tozların sıvılarla karıştırılması; boya, mürekkep, kozmetik ürünler, içecekler, hidrojeller veya parlatma ortamları gibi çeşitli ürünlerin formülasyonunda yaygın bir adımdır. Tek tek parçacıklar, van der Waals kuvvetleri ve sıvı yüzey gerilimi de dahil olmak üzere çeşitli fiziksel ve kimyasal nitelikteki çekim kuvvetleriyle bir arada tutulur. Bu etki, polimerler veya reçineler gibi daha yüksek viskoziteli sıvılarda daha güçlüdür. Parçacıkları deaglomere etmek ve sıvı ortamlar içinde disperse etmek için çekim kuvvetlerinin aşılması gerekir. Ultrasonik homojenizatörlerin laboratuvar ve endüstride mikron altı ve nano boyutlu parçacıkların dispersiyonu için neden üstün dispersiyon ekipmanları olduğunu aşağıda okuyun.

Katıların Sıvılar İçinde Ultrasonik Dispersiyonu

Ultrasonik homojenizatörlerin çalışma prensibi, akustik kavitasyon olgusuna dayanır. Akustik kavitasyonun, çok güçlü kesme kuvvetleri de dahil olmak üzere yoğun fiziksel kuvvetler oluşturduğu bilinmektedir. Mekanik gerilme uygulanması, parçacık aglomeralarını birbirinden ayırır. Ayrıca sıvı, parçacıkların arasına basınçla itilir.
Tozların sıvılar içinde disperse edilmesi için yüksek basınçlı homojenizatörler, karıştırıcılı boncuklu değirmenler, çarpışan jetli değirmenler ve rotor-stator karıştırıcılar gibi çeşitli teknolojiler ticari olarak mevcuttur. Bununla birlikte, ultrasonik dispersiyon cihazlarının önemli avantajları vardır. Ultrasonik dispersiyonun nasıl çalıştığını ve avantajlarının neler olduğunu aşağıda okuyun.

 

Video, S24d 22mm problu UP400St kullanılarak kırmızı renklendiricinin ultrasonik dispersiyonunu göstermektedir.

 

Ultrasonik Kavitasyonun ve Dispersiyonun Çalışma Prensibi

Sonikasyon sırasında yüksek frekanslı ses dalgaları, sıvı ortamda dönüşümlü sıkışma ve seyrelme bölgeleri oluşturur. Ses dalgaları ortamdan geçerken hızla genişleyen ve ardından şiddetle çöken kabarcıklar oluşturur. Bu süreç akustik kavitasyon olarak adlandırılır. Kabarcıkların çökmesi, daha büyük parçacıkları ve aglomeraları daha küçük parçacıklara ayırabilen yüksek basınçlı şok dalgaları, mikrojetler ve kesme kuvvetleri oluşturur. Ultrasonik dispersiyon süreçlerinde, dispersiyondaki parçacıkların kendileri öğütme ortamı işlevi görür. Ultrasonik kavitasyonun kesme kuvvetleriyle hızlandırılan parçacıklar birbirleriyle çarpışır ve çok küçük parçalara ayrılır. Ultrasonik işlem uygulanan dispersiyona boncuk veya kürecik eklenmediğinden, öğütme ortamlarının zaman alıcı ve yoğun emek gerektiren ayrılması ve temizlenmesi işlemlerinin yanı sıra kontaminasyon da tamamen önlenir.
Bu durum sonikasyonu, diğer yöntemlerle parçalanması zor olan parçacıklar dahil, parçacıkların dispersiyonunda ve deaglomerasyonunda son derece etkili kılar. Bunun sonucunda parçacıklar daha homojen dağılır ve ürün kalitesi ile performansı iyileşir.
Ayrıca sonikasyon; nanoküreler, nanokristaller, nanotabakalar, nanolifler, nanoteller, çekirdek-kabuk parçacıkları ve diğer karmaşık yapılar gibi nanomalzemeleri kolayca işleyebilir, disperse edebilir ve sentezleyebilir.
Bunun yanı sıra sonikasyon nispeten kısa bir sürede gerçekleştirilebilir; bu da diğer dispersiyon tekniklerine göre önemli bir avantajdır.

Ultrasonik Dispersiyon Cihazlarının Alternatif Karıştırma Teknolojilerine Göre Avantajları

Ultrasonik dispersiyon cihazları; yüksek basınçlı homojenizatörler, boncuklu değirmende öğütme veya rotor-stator ile karıştırma gibi alternatif karıştırma teknolojilerine göre çeşitli avantajlar sunar. En belirgin avantajlardan bazıları şunlardır:

• Parçacık Boyutunu Küçültmede İyileşme: Ultrasonik dispersiyon cihazları parçacık boyutlarını etkili bir şekilde nanometre aralığına indirebilir; bu, diğer birçok karıştırma teknolojisiyle mümkün değildir. Bu özellik, onları küçük parçacık boyutunun kritik olduğu uygulamalar için ideal kılar.
• Daha Hızlı Karıştırma: Ultrasonik dispersiyon cihazları malzemeleri diğer birçok teknolojiden daha hızlı karıştırabilir ve disperse edebilir; bu da zaman tasarrufu sağlar ve üretkenliği artırır.
• Kontaminasyon Yok: Ultrasonik dispersiyon cihazları, aşınma yoluyla dispersiyonu kontamine eden boncuk veya kürecik gibi öğütme ortamlarının kullanılmasını gerektirmez.
• Daha İyi Ürün Kalitesi: Ultrasonik dispersiyon cihazları daha homojen karışımlar ve süspansiyonlar üretebilir; bu da daha iyi ürün kalitesi ve tutarlılığı sağlar. Özellikle sürekli akış modunda dispersiyon bulamacı, ultrasonik kavitasyon bölgesinden son derece kontrollü bir şekilde geçerek çok homojen bir işlem uygulanmasını sağlar.
• Daha Düşük Enerji Tüketimi: Ultrasonik dispersiyon cihazları genellikle diğer teknolojilerden daha az enerji gerektirir; bu da işletme maliyetlerini azaltır.
• Çok Yönlülük: Ultrasonik dispersiyon cihazları; homojenizasyon, emülsifikasyon, dispersiyon ve deaglomerasyon dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilir. Ayrıca aşındırıcı malzemeler, lifler, korozif sıvılar ve hatta gazlar dahil olmak üzere çeşitli malzemeleri de işleyebilirler.

Bu süreç avantajlarının yanı sıra güvenilirlikleri ve kullanım kolaylıkları sayesinde ultrasonik dispersiyon cihazları, alternatif karıştırma teknolojilerinden daha iyi sonuç verir ve bu da onları birçok endüstriyel uygulama için popüler bir seçenek haline getirir.

Her Ölçekte Ultrasonik Dispersiyon ve Deaglomerasyon

Hielscher, kesikli veya hat içi işleme için her hacimde dispersiyon ve deaglomerasyon sağlayan ultrasonik cihazlar sunar. Ultrasonik laboratuvar cihazları, 1,5mL ile yaklaşık 2L arasındaki hacimler için kullanılır. Endüstriyel ultrasonik cihazlar, süreç geliştirmede ve üretimde 0,5 ile yaklaşık 2000L arasındaki partiler veya saatte 0,1L ile 20m³ arasındaki debiler için kullanılır.

Hielscher Ultrasonics endüstriyel ultrasonik işlemcileri çok yüksek genlikler sağlayabilir ve böylece parçacıkları güvenilir bir şekilde nano ölçeğe kadar disperse edebilir ve öğütebilir. 200µm’ye kadar genliklerde 24/7 çalışma kolayca ve kesintisiz olarak sürdürülebilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur.

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bilgi verir:

Karbon nanotüplerin ultrasonik dispersiyonu – Hielscher UP400S (400W) ultrasonikatör, CNT'leri hızlı ve verimli bir şekilde birbirinden ayırarak tekil nanotüpler hâlinde disperse eder.

Ultrasonik Dispersiyonun Avantajları: Kolay Ölçek Büyütme

Diğer dispersiyon teknolojilerinden farklı olarak ultrasonik işlem, laboratuvar ölçeğinden üretim ölçeğine kolayca büyütülebilir. Laboratuvar testleri, gerekli ekipman boyutunun doğru şekilde seçilmesini sağlar. Nihai ölçekte kullanıldığında süreç sonuçları laboratuvar sonuçlarıyla aynıdır.

Sonikatörler: Sağlam ve Kolay Temizlenebilir

Ultrasonik güç, bir sonotrot aracılığıyla sıvıya iletilir. Bu, genellikle dönel simetrik olan ve havacılık kalitesindeki masif titanyumdan işlenerek üretilen bir parçadır. Aynı zamanda sıvıyla temas eden tek hareketli / titreşen parçadır. Aşınmaya maruz kalan tek parçadır ve birkaç dakika içinde kolayca değiştirilebilir. Titreşim yalıtım flanşları, sonotrodun açık veya kapalı, basınçlandırılabilir kaplara ya da akış hücrelerine herhangi bir yönde monte edilmesini sağlar. Yataklara ihtiyaç yoktur. Sıvıyla temas eden diğer tüm parçalar genellikle paslanmaz çelikten yapılır. Akış hücresi reaktörleri basit geometrilere sahiptir ve örneğin yıkama ve iç yüzeyleri silme yoluyla kolayca sökülebilir ve temizlenebilir. Küçük delikler veya gizli köşeler yoktur.

Ultrasonik Yerinde Temizlik

Ultrason, yüzey ve parça temizliği gibi temizlik uygulamalarıyla iyi bilinir. Dispersiyon uygulamalarında kullanılan ultrasonik şiddet, tipik ultrasonik temizlikte kullanılandan çok daha yüksektir. Ultrasonik cihazın sıvıyla temas eden parçalarının temizlenmesinde ultrasonik güç, yıkama ve durulama sırasında temizliğe yardımcı olmak için kullanılabilir; çünkü ultrasonik / akustik kavitasyon, sonotrotta ve akış hücresinin duvarlarında bulunan parçacıkları ve sıvı kalıntılarını giderir.

---

---

Literatür / Kaynaklar

• 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.