Ultrasonik Dispersiyon ve Deagglomeration

Katıların sıvılara dağılması ve topaklanması, güç ultrasonu ve prob tipi sonikatörlerin önemli bir uygulamasıdır. Ultrasonik kavitasyon, parçacık aglomeralarını tek dağınık parçacıklara ayıran olağanüstü yüksek kesme üretir. Yerel olarak odaklanmış yüksek kesme kuvvetleri nedeniyle, sonikasyon, deney, araştırma ve geliştirme ve tabii ki endüstriyel üretim için mircon ve nano boyutlu dispersiyonlar üretmek için idealdir.

Tozların sıvılara karıştırılması, boya, mürekkep, kozmetik, içecek, hidrojeller veya parlatma ortamı gibi çeşitli ürünlerin formülasyonunda yaygın bir adımdır. Bireysel parçacıklar, van der Waals kuvvetleri ve sıvı yüzey gerilimi dahil olmak üzere çeşitli fiziksel ve kimyasal nitelikteki çekim kuvvetleri tarafından bir arada tutulur. Bu etki, polimerler veya reçineler gibi daha yüksek viskoziteli sıvılar için daha güçlüdür. Parçacıkların deaglomera edilmesi ve sıvı ortama dağılması için çekim kuvvetlerinin üstesinden gelinmelidir. Ultrasonik homojenizatörlerin laboratuvar ve endüstride mikron altı ve nano boyutlu parçacıkların dağılımı için neden üstün dispersiyon ekipmanı olduğunu aşağıda okuyun.

Katıların Sıvılara Ultrasonik Dispersiyonu

Ultrasonik homojenizatörlerin çalışma prensibi akustik kavitasyon olgusuna dayanmaktadır. Akustik kavitasyonun, çok güçlü kesme kuvvetleri de dahil olmak üzere yoğun fiziksel kuvvetler oluşturduğu bilinmektedir. Mekanik gerilme uygulaması, parçacık aglomeralarını parçalar. Ayrıca, parçacıklar arasına sıvı bastırılır.
Tozların sıvılara dağıtılması için ise, yüksek basınçlı homojenizatörler, karıştırıcı boncuk değirmenleri, darbeli jet değirmenleri ve rotor-stator-karıştırıcı gibi çeşitli teknolojiler ticari olarak mevcuttur. Bununla birlikte, ultrasonik dağıtıcıların önemli avantajları vardır. Ultrasonik dispersiyonun nasıl çalıştığını ve ultrasonik dispersiyonun avantajlarının neler olduğunu aşağıda okuyun.

 

 

Ultrasonik Kavitasyon ve Dispersiyonun Çalışma Prensibi

Sonikasyon sırasında, yüksek frekanslı ses dalgaları sıvı ortamda alternatif sıkıştırma ve seyrekleşme alanları oluşturur. Ses dalgaları ortamdan geçerken, hızla genişleyen ve ardından şiddetli bir şekilde çöken kabarcıklar oluştururlar. Bu işleme akustik kavitasyon denir. Kabarcıkların çökmesi, daha büyük parçacıkları ve topakları daha küçük parçacıklara parçalayabilen yüksek basınçlı şok dalgaları, mikrojetler ve kesme kuvvetleri üretir. Ultrasonik dispersiyon işlemlerinde, dispersiyondaki parçacıkların kendileri frezeleme ortamı olarak işlev görür. Ultrasonik kavitasyonun kesme kuvvetleri ile hızlandırılan parçacıklar birbirleriyle çarpışır ve küçük parçalara ayrılır. Ultrasonik olarak işlenmiş dispersiyona boncuk veya inci eklenmediğinden, öğütme ortamının zaman alıcı ve emek yoğun ayrılması ve temizlenmesinin yanı sıra kontaminasyon tamamen önlenir.
Bu, sonikasyonu, diğer yöntemlerle parçalanması zor olanlar bile, parçacıkları dağıtmada ve deagglomere etmede çok etkili kılar. Bu, partiküllerin daha homojen bir şekilde dağılmasıyla sonuçlanır ve bu da ürün kalitesinin ve performansının artmasına yol açar.
Ek olarak, sonikasyon nanosferler, nanokristaller, nanosheets, nanofiberler, nanoteller, çekirdek-kabuk parçacıkları ve diğer karmaşık yapılar gibi nanomalzemeleri kolayca işleyebilir, dağıtabilir ve sentezleyebilir.
Ayrıca, sonikasyon nispeten kısa bir zaman diliminde gerçekleştirilebilir, bu da diğer dispersiyon tekniklerine göre büyük bir avantajdır.

Ultrasonik Dağıtıcıların Alternatif Karıştırma Teknolojilerine Göre Avantajları

Ultrasonik dağıtıcılar, yüksek basınçlı homojenizatörler, boncuk frezeleme veya rotor-stator karıştırma gibi alternatif karıştırma teknolojilerine göre çeşitli avantajlar sunar. En belirgin avantajlardan bazıları şunlardır:

• Geliştirilmiş Partikül Boyutu Azaltma: Ultrasonik dağıtıcılar, partikül boyutlarını diğer birçok karıştırma teknolojisiyle mümkün olmayan nanometre aralığına etkili bir şekilde azaltabilir. Bu, onları ince parçacık boyutunun kritik olduğu uygulamalar için ideal hale getirir.
• Daha Hızlı Karıştırma: Ultrasonik dağıtıcılar, malzemeleri diğer birçok teknolojiden daha hızlı karıştırabilir ve dağıtabilir, bu da zamandan tasarruf sağlar ve üretkenliği artırır.
• Kontaminasyon Yok: Ultrasonik dağıtıcılar, dispersiyonu aşınma ile kirleten boncuklar veya inciler gibi öğütme ortamının kullanılmasını gerektirmez.
• Daha İyi Ürün Kalitesi: Ultrasonik dağıtıcılar daha homojen karışımlar ve süspansiyonlar üretebilir, bu da daha iyi ürün kalitesi ve tutarlılığı sağlar. Özellikle akış modunda, dispersiyon bulamacı ultrasonik kavitasyon bölgesini oldukça kontrollü bir şekilde geçerek çok düzgün bir işlem sağlar.
• Düşük Enerji Tüketimi: Ultrasonik dağıtıcılar tipik olarak diğer teknolojilerden daha az enerji gerektirir ve bu da işletme maliyetlerini azaltır.
• Çok yönlü -lük: Ultrasonik dağıtıcılar, homojenizasyon, emülsifikasyon, dispersiyon ve deagglomeration dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için kullanılabilir. Ayrıca aşındırıcı malzemeler, lifler, aşındırıcı sıvılar ve hatta gazlar dahil olmak üzere çeşitli malzemeleri de işleyebilirler.

Bu işlem avantajlarının yanı sıra güvenilirlik ve basit kullanım nedeniyle, ultrasonik dağıtıcılar alternatif karıştırma teknolojilerini geride bırakır ve bu da onları birçok endüstriyel uygulama için popüler bir seçim haline getirir.

Her ölçekte ultrasonik dispersiyon ve deagglomeration

Hielscher, toplu veya satır içi işleme için herhangi bir hacmin dağılması ve topaklanması için ultrasonik cihazlar sunar. Ultrasonik laboratuvar cihazları 1,5 mL'den yaklaşık 2L'ye kadar olan hacimler için kullanılır. Endüstriyel ultrasonik cihazlar, 0,5 ila yaklaşık 2000L arası partiler veya saatte 0,1L ila 20m³ akış hızları için proses geliştirme ve üretimde kullanılır.

Hielscher Ultrasonik endüstriyel ultrasonik işlemciler çok yüksek genlikler sağlayabilir, böylece parçacıkları nano ölçekte güvenilir bir şekilde dağıtabilir ve frezeleyebilir. 200μm'ye kadar genlikler, 7/24 çalışmada kolayca sürekli olarak çalıştırılabilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodlar mevcuttur.

Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir:

Ultrasonik dispersiyonun avantajları: ölçeklendirilmesi kolay

Diğer dispersiyon teknolojilerinden farklı olarak, ultrasonikasyon laboratuvardan üretim boyutuna kadar kolayca ölçeklendirilebilir. Laboratuvar testleri, gerekli ekipman boyutunun doğru bir şekilde seçilmesine izin verecektir. Son ölçekte kullanıldığında, proses sonuçları laboratuvar sonuçlarıyla aynıdır.

Ultrasonikatörler: Sağlam ve Temizlemesi Kolay

Ultrasonik güç, bir sonotrot aracılığıyla sıvıya iletilir. Bu, katı uçak kalitesinde titanyumdan işlenmiş tipik olarak döner simetrik bir parçadır. Bu aynı zamanda hareket eden / titreşen tek ıslak parçadır. Aşınmaya maruz kalan tek parçadır ve dakikalar içinde kolayca değiştirilebilir. Salınım-dekuplaj flanşları, sonotrotun herhangi bir yönde açık veya kapalı basınçlandırılabilir kaplara veya akış hücrelerine monte edilmesine izin verir. Rulmana gerek yoktur. Diğer tüm ıslak parçalar genellikle paslanmaz çelikten yapılır. Akış hücresi reaktörleri basit geometrilere sahiptir ve örneğin yıkama ve silme yoluyla kolayca sökülebilir ve temizlenebilir. Küçük delikler veya gizli köşeler yoktur.

Yerinde Ultrasonik Temizleyici

Ultrason, yüzey temizliği gibi temizleme uygulamaları ile iyi bilinir. Dispersiyon uygulamaları için kullanılan ultrasonik yoğunluk, tipik ultrasonik temizlemeden çok daha yüksektir. Ultrasonik cihazın ıslanan parçalarının temizlenmesi söz konusu olduğunda, ultrasonik / akustik kavitasyon partikülleri ve sıvı kalıntılarını sonotrottan ve akış hücresi duvarlarından uzaklaştırdığından, yıkama ve durulama sırasında temizlemeye yardımcı olmak için ultrasonik güç kullanılabilir.

---

---

Literatür / Referanslar

• 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.