Ультразвукове диспергування та деагломерація

Диспергування та деагломерація твердих речовин у рідини є важливим застосуванням енергетичних ультразвукових та зондових ультразвукових апаратів. Ультразвукова кавітація створює надзвичайно високий зсув, який розбиває агломерати частинок на одиночні дисперсні частинки. Завдяки локально сфокусованій високій силі зсуву, ультразвук ідеально підходить для отримання мірконових і нанорозмірних дисперсій для експериментів, досліджень і розробок, і, звичайно, для промислового виробництва.

Змішування порошків у рідини є поширеним етапом у формулуванні різних продуктів, таких як фарби, чорнило, косметика, напої, гідрогелі або полірувальні середовища. Окремі частинки утримуються разом силами притягання різної фізичної та хімічної природи, включаючи сили Ван-дер-Ваальса та поверхневий натяг рідини. Цей ефект сильніший для рідин з вищою в'язкістю, таких як полімери або смоли. Сили притягання повинні бути подолані для того, щоб деагломеруватися і розсіювати частинки в рідких середовищах. Нижче прочитайте, чому ультразвукові гомогенізатори є найкращим диспергуючим обладнанням для диспергування субмікронних і нанорозмірних частинок у лабораторії та промисловості.

Ультразвукове диспергування твердих речовин у рідинах

Принцип роботи ультразвукових гомогенізаторів заснований на явищі акустичної кавітації. Відомо, що акустична кавітація створює інтенсивні фізичні сили, включаючи дуже сильні сили зсуву. Під дією механічного впливу агломерати частинок розпадаються на частинки. Також між частинками стискається рідина.
У той час як для диспергування порошків у рідини комерційно доступні різні технології, такі як гомогенізатори високого тиску, мішалки, ударні струменеві млини та ротор-статор-змішувач. Однак ультразвукові диспергатори мають значні переваги. Як працює ультразвукова дисперсія і в чому переваги ультразвукової дисперсії, читайте нижче.

 

 

Принцип роботи ультразвукової кавітації та диспергування

Під час ультразвукового звуку високочастотні звукові хвилі створюють в рідкому середовищі чергуються ділянки стиснення і розрідження. Коли звукові хвилі проходять через середовище, вони створюють бульбашки, які швидко розширюються, а потім бурхливо руйнуються. Цей процес називається акустичною кавітацією. Колапс бульбашок генерує ударні хвилі високого тиску, мікрострумені та зсувні сили, які можуть розщеплювати більші частинки та агломерати на менші частинки. В ультразвукових дисперсійних процесах самі частинки в дисперсії виконують функцію фрезерного середовища. Прискорюючись під дією зсувних сил ультразвукової кавітації, частинки стикаються одна з одною і розпадаються на крихітні фрагменти. Оскільки в ультразвуково оброблену дисперсію не додаються намистини або перли, повністю виключається трудомістке і трудомістке розділення і очищення фрезерних середовищ, а також забруднення.
Це робить ультразвук настільки ефективним для диспергування та деагломерації частинок, навіть тих, які важко розщепити іншими методами. Це призводить до більш рівномірного розподілу частинок, що призводить до покращення якості та продуктивності продукції.
Крім того, ультразвук може легко обробляти, диспергувати та синтезувати наноматеріали, такі як наносфери, нанокристали, нанолисти, нановолокна, нанодроти, частинки оболонки ядра та інші складні структури.
Крім того, ультразвук може бути виконаний за відносно короткий проміжок часу, що є серйозною перевагою перед іншими методами дисперсії.

Переваги ультразвукових диспергаторів перед альтернативними технологіями змішування

Ультразвукові диспергатори мають ряд переваг перед альтернативними технологіями змішування, такими як гомогенізатори високого тиску, бурове фрезерування або змішування ротор-статор. Деякі з найбільш помітних переваг включають:

• Покращене зменшення розміру частинок: Ультразвукові диспергатори дозволяють ефективно зменшувати розміри частинок до нанометрового діапазону, що неможливо при використанні багатьох інших технологій змішування. Це робить їх ідеальними для застосувань, де розмір дрібних частинок має вирішальне значення.
• Швидке змішування: Ультразвукові диспергатори можуть змішувати і диспергувати матеріали швидше, ніж багато інших технологій, що економить час і підвищує продуктивність.
• Відсутність забруднення: Ультразвукові диспергатори не вимагають використання фрезерних середовищ у вигляді намистин або перлів, які забруднюють дисперсію шляхом стирання.
• Краща якість продукції: Ультразвукові диспергатори можуть виробляти більш однорідні суміші та суспензії, що призводить до кращої якості та консистенції продукту. Особливо в проточному режимі, дисперсійна суспензія проходить зону ультразвукової кавітації високо контрольованим чином, забезпечуючи дуже рівномірне очищення.
• Низьке споживання енергії: Ультразвукові диспергатори зазвичай споживають менше енергії, ніж інші технології, що знижує експлуатаційні витрати.
• Універсальність: Ультразвукові диспергатори можна використовувати для широкого спектру застосувань, включаючи гомогенізацію, емульгування, диспергування та деагломерацію. Вони також можуть працювати з різними матеріалами, включаючи абразивні матеріали, волокна, корозійні рідини та навіть гази.

Завдяки цим технологічним перевагам, а також надійності та простоті експлуатації, ультразвукові диспергатори перевершують альтернативні технології змішування, що робить їх популярним вибором для багатьох промислових застосувань.

Ультразвукове диспергування та деагломерація в будь-яких масштабах

Компанія Hielscher пропонує ультразвукові апарати для диспергування та деагломерації будь-якого обсягу для періодичної або потокової обробки. Ультразвукові лабораторні прилади використовуються для об'ємів від 1,5 мл до приблизно 2 л. Промислові ультразвукові пристрої використовуються в процесі розробки та виробництва партіями від 0,5 до приблизно 2000 л або витратою від 0,1 л до 20 м³ на годину.

Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть видавати дуже високі амплітуди, тим самим надійно диспергуючи і подрібнюючи частинки в наномасштабі. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:

Переваги ультразвукової дисперсії: легко масштабується

На відміну від інших диспергаційних технологій, ультразвук можна легко масштабувати від лабораторії до виробничого розміру. Лабораторні дослідження дозволять точно підібрати необхідний розмір обладнання. При використанні в кінцевій шкалі результати процесу ідентичні результатам лабораторних досліджень.

Ультразвукові прилади: надійні та прості в очищенні

Ультразвукова потужність передається в рідину за допомогою сонотрода. Це типово поворотна симетрична деталь, яка обробляється з міцного титану авіаційної якості. Це також єдина рухома / вібруюча змочена частина. Це єдина деталь, яка схильна до зносу і її можна легко замінити протягом декількох хвилин. Коливально-розв'язувальні фланці дозволяють монтувати сонотрод у відкриті або закриті ємності під тиском або проточні осередки в будь-якій орієнтації. Підшипники не потрібні. Всі інші змочені деталі, як правило, виготовляються з нержавіючої сталі. Реактори з проточними комірками мають просту геометрію і можуть бути легко розібрані та очищені, наприклад, шляхом промивання та витирання. Тут немає дрібних отворів або прихованих кутів.

Ультразвуковий очищувач на місці

Ультразвук добре відомий своїми програмами очищення, такими як очищення поверхні, деталей. Інтенсивність ультразвуку, яка використовується для диспергування, набагато вища, ніж для звичайного ультразвукового очищення. Коли справа доходить до очищення змочених частин ультразвукового пристрою, ультразвукова потужність може використовуватися для полегшення очищення під час промивання та промивання, оскільки ультразвукова / акустична кавітація видаляє частинки та залишки рідини з сонотроду та зі стінок проточних клітин.

---

---

Література / Список літератури

• 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.