Ультразвукове диспергування та деагломерація

Диспергування та деагломерація твердих речовин у рідинах є важливою сферою застосування потужного ультразвуку та зондових ультразвукових обробників. Ультразвукова кавітація генерує надзвичайно високі зсувні сили, які руйнують агломерати частинок на окремі дисперговані частинки. Завдяки локально сфокусованим високим зсувним силам, ультразвукова обробка ідеально підходить для отримання мікро- та нанорозмірних дисперсій для експериментування, досліджень і розробок, а також, звичайно, для промислового виробництва.

Змішування порошків із рідинами є поширеним етапом у формулюванні різних продуктів, таких як фарби, чорнила, 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 є сильнішим для рідин з вищою в’язкістю, таких як полімери або смоли. Сили притягання необхідно подолати, щоб деагломерувати та диспергувати частинки в рідких середовищах. Прочитайте нижче, чому ультразвукові гомогенізатори є найкращим обладнанням для диспергування субмікронних і нанорозмірних частинок у лабораторії та промисловості.

Ультразвукове диспергування твердих речовин у рідинах

Принцип дії ультразвукових гомогенізаторів базується на явищі акустичної кавітації. Відомо, що акустична кавітація створює інтенсивні фізичні сили, включаючи дуже сильні зсувні сили. Застосування механічного навантаження руйнує агломерати частинок. Також рідина вдавлюється між частинками.
Хоча для диспергування порошків у рідинах комерційно доступні різні технології, такі як гомогенізатори високого тиску, агітовані кульові млини, струменеві млини та роторно-статорні змішувачі. Однак ультразвукові диспергатори мають суттєві переваги. Прочитайте нижче, як працює ультразвукове диспергування та які переваги має ультразвукове диспергування.

У відео продемонстровано ультразвукове диспергування червоного барвника за допомогою UP400St із зондом S24d 22mm.

 

Принцип дії ультразвукової кавітації та диспергування

Під час ультразвукової обробки високочастотні звукові хвилі створюють чергування зон стиснення та розрідження в рідкому середовищі. Коли звукові хвилі проходять через середовище, вони створюють бульбашки, які швидко розширюються, а потім бурхливо колапсують. Цей процес називається акустичною кавітацією. Колапс бульбашок генерує ударні хвилі високого тиску, мікрострумені та зсувні сили, які можуть руйнувати більші частинки та агломерати на менші частинки. У процесах ультразвукового диспергування самі частинки в дисперсії функціонують як середовище для подрібнення. Прискорені зсувними силами ультразвукової кавітації, частинки зіштовхуються одна з одною та розбиваються на крихітні фрагменти. Оскільки до дисперсії, обробленої ультразвуком, не додаються кульки або перлини, тривале та трудомістке відділення та очищення подрібнювального середовища, а також забруднення повністю уникаються.
Це робить ультразвукову обробку такою ефективною для диспергування та деагломерації частинок, навіть тих, які важко розбити іншими методами. Це призводить до більш однорідного розподілу частинок, що покращує якість та ефективність продукту.
Крім того, ультразвукова обробка може легко обробляти, диспергувати та синтезувати наноматеріали, такі як наносфери, нанокристали, нанопластини, нановолокна, нанодроти, частинки з ядром і оболонкою та інші складні структури.
Більше того, ультразвукову обробку можна виконувати за відносно короткий проміжок часу, що є великою перевагою порівняно з іншими техніками диспергування.

Переваги ультразвукових диспергаторів над альтернативними технологіями змішування

Ультразвукові диспергатори пропонують кілька переваг над альтернативними технологіями змішування, такими як гомогенізатори високого тиску, кульове подрібнення або роторно-статорне змішування. Деякі з найбільш помітних переваг включають:

• Покращене зменшення розміру частинок: Ультразвукові диспергатори можуть ефективно зменшувати розмір частинок до нанометрового діапазону, що неможливо за допомогою багатьох інших технологій змішування. Це робить їх ідеальними для застосувань, де критично важливим є дрібний розмір частинок.
• Швидше змішування: Ультразвукові диспергатори можуть змішувати та диспергувати матеріали швидше, ніж багато інших технологій, що економить час і підвищує продуктивність.
• Відсутність забруднення: Ультразвукові диспергатори не потребують використання мильних середовищ, таких як намистини або перлини, які забруднюють дисперсію через абразивний знос.
• Краща якість продукту: Ультразвукові диспергатори можуть виробляти більш однорідні суміші та суспензії, що призводить до кращої якості та стабільності продукту. Особливо в режимі протікання суспензія дисперсії проходить через зону ультразвукової кавітації дуже контрольованим чином, забезпечуючи дуже однорідну обробку.
• Нижче енергоспоживання: Ультразвукові диспергатори зазвичай потребують менше енергії, ніж інші технології, що знижує експлуатаційні витрати.
• Універсальність: Ультразвукові диспергатори можна використовувати для широкого спектру застосувань, включаючи гомогенізацію, емульгацію, диспергування та деагломерацію. Вони також можуть обробляти різноманітні матеріали, включаючи абразивні матеріали, волокна, корозійні рідини та навіть гази.

Завдяки цим перевагам процесу, а також надійності та простоті експлуатації, ультразвукові диспергатори перемагають альтернативні технології змішування, роблячи їх популярним вибором для багатьох промислових застосувань.

Ультразвукове диспергування та деагломерація в будь-якому масштабі

Hielscher пропонує ультразвукові пристрої для диспергування та деагломерації будь-якого об’єму для партійної або інлайн-обробки. Ультразвукові лабораторні пристрої використовуються для об’ємів від 1,5mL до приблизно 2L. Промислові ультразвукові пристрої використовуються в розробці процесів та виробництві для партій від 0,5 до приблизно 2000L або об’ємних витрат від 0,1L до 20m³ на годину.

Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди, надійно диспергуючи та подрібнюючи частинки до нанорозміру. Амплітуди до 200µm можуть легко працювати безперервно в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну пропускну здатність наших ультразвукових обробників:

Ультразвукове диспергування вуглецевих нанотрубок – сонікатор Hielscher UP400S (400W) швидко й ефективно диспергує та розплутує скупчення вуглецевих нанотрубок, розділяючи їх на окремі нанотрубки.

Переваги ультразвукового диспергування: Легке масштабування

На відміну від інших технологій диспергування, ультразвукову обробку можна легко масштабувати від лабораторного до виробничого розміру. Лабораторні випробування дозволять точно вибрати необхідний розмір обладнання. При використанні в кінцевому масштабі результати процесу ідентичні лабораторним результатам.

Ультразвукові обробники: Надійні та легкі в очищенні

Ультразвукова потужність передається в рідину через сонотрод. Це зазвичай ротаційно-симетрична частина, виготовлена з цільного титану авіаційної якості. Це також єдина рухома / вібруюча частина, що контактує з середовищем. Це єдина частина, яка піддається зносу, і її можна легко замінити за лічені хвилини. Фланці розв’язки коливань дозволяють монтувати сонотрод у відкриті або закриті контейнери під тиском або проточні комірки в будь-якій орієнтації. Підшипники не потрібні. Всі інші частини, що контактують із середовищем, зазвичай виготовлені з нержавіючої сталі. Реактори з проточною коміркою мають просту геометрію і можуть бути легко розібрані та очищені, наприклад, промиванням та протиранням. Немає малих отворів чи прихованих кутів.

Ультразвукове очищення на місці

Ультразвук добре відомий своїми застосуваннями для очищення, такими як очищення поверхонь та деталей. Інтенсивність ультразвуку, що використовується для диспергування, значно вища, ніж для типового ультразвукового очищення. Коли йдеться про очищення частин ультразвукового пристрою, що контактують із середовищем, ультразвукова потужність може використовуватися для полегшення очищення під час промивання та ополіскування, оскільки ультразвукова / акустична кавітація видаляє частинки та залишки рідини з сонотрода та зі стінок проточної комірки.

---

---

Література / Посилання

• 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.