Phân tán và phá kết tụ bằng siêu âm

Phân tán và phá kết tụ chất rắn trong chất lỏng là một ứng dụng quan trọng của siêu âm công suất và các thiết bị siêu âm dạng đầu dò. Hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra tác động cắt cực kỳ mạnh, phá vỡ các cụm hạt kết tụ thành từng hạt phân tán riêng lẻ. Nhờ lực cắt mạnh tập trung cục bộ, xử lý bằng siêu âm là phương pháp lý tưởng để tạo ra các hệ phân tán có kích thước hạt ở thang micromét và nanomét phục vụ thí nghiệm, nghiên cứu và phát triển, và tất nhiên cả sản xuất công nghiệp.

Trộn bột vào chất lỏng là một bước phổ biến trong quá trình phối chế nhiều sản phẩm khác nhau, chẳng hạn như sơn, mực in, mỹ phẩm, đồ uống, hydrogel hoặc vật liệu đánh bóng. Các hạt riêng lẻ liên kết với nhau nhờ các lực hút có bản chất vật lý và hóa học khác nhau, bao gồm lực van der Waals và sức căng bề mặt của chất lỏng. Hiệu ứng này mạnh hơn đối với chất lỏng có độ nhớt cao hơn, chẳng hạn như polyme hoặc nhựa. Cần thắng các lực hút này để phá kết tụ và phân tán các hạt vào môi trường lỏng. Đọc phần dưới đây để tìm hiểu vì sao máy đồng nhất siêu âm là thiết bị phân tán vượt trội để phân tán các hạt có kích thước dưới micromét và ở thang nanomét trong phòng thí nghiệm và công nghiệp.

Phân tán chất rắn trong chất lỏng bằng siêu âm

Nguyên lý hoạt động của máy đồng nhất siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực âm. Hiện tượng xâm thực âm được biết đến với khả năng tạo ra các lực vật lý mãnh liệt, bao gồm lực cắt rất mạnh. Tác động của ứng suất cơ học phá vỡ các cụm hạt kết tụ. Đồng thời, chất lỏng được ép vào giữa các hạt.
Để phân tán bột vào chất lỏng, nhiều công nghệ như máy đồng nhất áp suất cao, máy nghiền bi khuấy, máy nghiền bằng tia va đập và máy trộn rôto–stato hiện có sẵn trên thị trường. Tuy nhiên, máy phân tán siêu âm có những ưu điểm đáng kể. Đọc phần dưới đây để tìm hiểu cơ chế phân tán bằng siêu âm và những ưu điểm của phương pháp này.

 

Video trình bày quá trình phân tán chất màu đỏ bằng siêu âm với UP400St và đầu dò S24d 22mm.

 

Nguyên lý hoạt động của hiện tượng xâm thực và phân tán bằng siêu âm

Trong quá trình xử lý bằng siêu âm, sóng âm tần số cao tạo ra các vùng nén và giãn xen kẽ trong môi trường lỏng. Khi sóng âm truyền qua môi trường, chúng tạo ra các bong bóng giãn nở nhanh rồi sụp đổ dữ dội. Quá trình này được gọi là xâm thực âm. Sự sụp đổ của các bong bóng tạo ra sóng xung kích áp suất cao, các vi tia chất lỏng và lực cắt có thể phá vỡ các hạt lớn hơn và các cụm kết tụ thành những hạt nhỏ hơn. Trong các quá trình phân tán bằng siêu âm, chính các hạt trong hệ phân tán đóng vai trò là vật liệu nghiền. Được gia tốc bởi lực cắt của hiện tượng xâm thực siêu âm, các hạt va chạm với nhau và vỡ thành những mảnh rất nhỏ. Do không bổ sung bi hoặc hạt nghiền vào hệ phân tán được xử lý bằng siêu âm, nên hoàn toàn tránh được công đoạn tách và làm sạch vật liệu nghiền vốn tốn thời gian và công sức, cũng như tình trạng nhiễm bẩn.
Điều này giúp xử lý bằng siêu âm đạt hiệu quả cao trong việc phân tán và phá kết tụ các hạt, kể cả những hạt khó phá vỡ bằng các phương pháp khác. Kết quả là các hạt phân bố đồng đều hơn, giúp cải thiện chất lượng và hiệu năng của sản phẩm.
Ngoài ra, xử lý bằng siêu âm có thể dễ dàng xử lý, phân tán và tổng hợp các vật liệu nano như hạt cầu nano, tinh thể nano, tấm nano, sợi nano, dây nano, hạt lõi–vỏ và các cấu trúc phức tạp khác.
Hơn nữa, xử lý bằng siêu âm có thể được thực hiện trong khoảng thời gian tương đối ngắn, đây là một ưu điểm lớn so với các kỹ thuật phân tán khác.

Ưu điểm của máy phân tán siêu âm so với các công nghệ trộn khác

Máy phân tán siêu âm có nhiều ưu điểm so với các công nghệ trộn khác như đồng nhất hóa áp suất cao, nghiền bi hoặc trộn bằng rôto–stato. Một số ưu điểm nổi bật nhất bao gồm:

• Cải thiện khả năng giảm kích thước hạt: Máy phân tán siêu âm có thể giảm hiệu quả kích thước hạt xuống phạm vi nanomet, điều mà nhiều công nghệ trộn khác không thể thực hiện được. Điều này khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi kích thước hạt nhỏ.
• Trộn nhanh hơn: Máy phân tán siêu âm có thể trộn và phân tán vật liệu nhanh hơn nhiều công nghệ khác, giúp tiết kiệm thời gian và tăng năng suất.
• Không gây nhiễm bẩn: Máy phân tán siêu âm không cần sử dụng vật liệu nghiền như bi hoặc hạt nghiền, vốn gây nhiễm bẩn hệ phân tán do mài mòn.
• Chất lượng sản phẩm tốt hơn: Máy phân tán siêu âm có thể tạo ra các hỗn hợp và huyền phù đồng đều hơn, mang lại chất lượng và tính đồng nhất của sản phẩm tốt hơn. Đặc biệt ở chế độ dòng chảy liên tục, huyền phù phân tán đi qua vùng xâm thực siêu âm một cách được kiểm soát chặt chẽ, đảm bảo quá trình xử lý rất đồng đều.
• Tiêu thụ năng lượng thấp hơn: Máy phân tán siêu âm thường cần ít năng lượng hơn các công nghệ khác, giúp giảm chi phí vận hành.
• Tính linh hoạt: Máy phân tán siêu âm có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng, bao gồm đồng nhất hóa, nhũ hóa, phân tán và phá kết tụ. Chúng cũng có thể xử lý nhiều loại vật liệu, bao gồm vật liệu có tính mài mòn, sợi, chất lỏng ăn mòn và thậm chí cả khí.

Nhờ những ưu điểm này của quá trình cùng với độ tin cậy và khả năng vận hành đơn giản, máy phân tán siêu âm vượt trội hơn các công nghệ trộn thay thế, trở thành lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng công nghiệp.

Phân tán và phá kết tụ bằng siêu âm ở mọi quy mô

Hielscher cung cấp các thiết bị siêu âm để phân tán và phá kết tụ với mọi thể tích, phục vụ xử lý theo mẻ hoặc trên dòng chảy. Các thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm được sử dụng cho thể tích từ 1,5mL đến khoảng 2L. Các thiết bị siêu âm công nghiệp được sử dụng trong phát triển quy trình và sản xuất cho các mẻ từ 0,5 đến khoảng 2000L hoặc lưu lượng từ 0,1L đến 20m³ mỗi giờ.

Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể cung cấp biên độ rất cao, nhờ đó phân tán và nghiền hạt xuống quy mô nano một cách đáng tin cậy. Có thể dễ dàng vận hành liên tục 24/7 ở biên độ lên đến 200µm. Đối với biên độ cao hơn nữa, có sẵn các đầu phát siêu âm được chế tạo theo yêu cầu.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:

Phân tán ống nano cacbon bằng siêu âm – Máy siêu âm Hielscher UP400S (400W) phân tán và gỡ rối CNT nhanh chóng, hiệu quả thành các ống nano riêng lẻ.

Ưu điểm của phân tán bằng siêu âm: Dễ dàng mở rộng quy mô

Khác với các công nghệ phân tán khác, xử lý siêu âm có thể dễ dàng mở rộng từ quy mô phòng thí nghiệm lên quy mô sản xuất. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho phép lựa chọn chính xác quy mô thiết bị cần thiết. Khi áp dụng ở quy mô cuối cùng, kết quả của quá trình giống hệt kết quả trong phòng thí nghiệm.

Máy siêu âm: Bền chắc và dễ vệ sinh

Công suất siêu âm được truyền vào chất lỏng qua đầu sonotrode. Đây thường là một bộ phận đối xứng tròn xoay, được gia công từ titan nguyên khối đạt chất lượng dùng trong hàng không. Đây cũng là bộ phận tiếp xúc với chất lỏng duy nhất chuyển động / rung. Đây là bộ phận duy nhất chịu mài mòn và có thể dễ dàng được thay thế trong vòng vài phút. Các mặt bích cách ly dao động cho phép lắp đầu sonotrode theo bất kỳ hướng nào vào các bình chứa hở hoặc kín có thể chịu áp suất, hoặc vào các buồng dòng chảy. Không cần ổ trục. Tất cả các bộ phận khác tiếp xúc với chất lỏng thường được làm bằng thép không gỉ. Các thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy có hình dạng đơn giản và có thể dễ dàng tháo rời và làm sạch, ví dụ bằng cách xả rửa và lau sạch bên trong. Không có lỗ nhỏ hay góc khuất.

Làm sạch tại chỗ bằng siêu âm

Siêu âm được biết đến rộng rãi với các ứng dụng làm sạch, chẳng hạn như làm sạch bề mặt và chi tiết. Cường độ siêu âm dùng cho các ứng dụng phân tán cao hơn nhiều so với cường độ dùng cho việc làm sạch bằng siêu âm thông thường. Khi làm sạch các bộ phận tiếp xúc với chất lỏng của thiết bị siêu âm, có thể sử dụng công suất siêu âm để hỗ trợ làm sạch trong quá trình xả rửa và tráng rửa, vì hiện tượng xâm thực siêu âm / âm học loại bỏ các hạt và chất lỏng tồn dư khỏi đầu sonotrode và thành buồng dòng chảy.

---

---

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.