Das Dispergieren und Desagglomerieren von Feststoffen in Flüssigkeiten ist eine wichtige Anwendung von Leistungsultraschall und Sondenschallgeräten. Die Ultraschallkavitation erzeugt außerordentlich hohe Scherkräfte, die Partikelagglomerate in einzelne dispergierte Partikel aufbrechen. Aufgrund der lokal fokussierten hohen Scherkräfte ist die Beschallung ideal für die Herstellung von Dispersionen in Mikro- und Nanogröße für Experimente, Forschung und Entwicklung und natürlich für die industrielle Produktion.

Das Einmischen von Pulvern in Flüssigkeiten ist ein gängiger Prozessschritt bei der Formulierung verschiedener Produkte wie Farben, Tinten, Kosmetika, Getränke, Hydrogele oder Poliermittel. Die einzelnen Partikel werden durch Anziehungskräfte verschiedener physikalischer und chemischer Art zusammengehalten, z.B. durch van-der-Waals-Kräfte und die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten. Dieser Effekt ist bei Flüssigkeiten mit höherer Viskosität, wie z.B. bei Polymeren oder Harzen, stärker. Diese Anziehungskräfte müssen überwunden werden, um die Partikel zu desagglomerieren und in flüssigen Medien zu dispergieren. Lesen Sie im Folgenden, weshalb Ultraschallhomogenisatoren hervorragend für die Dispersion von Partikeln im Submikron- und Nanobereich in Labor und Industrie sind.

Dispergieren von Feststoffen in Flüssigkeiten mittels Ultraschall

Das Funktionsprinzip von Ultraschallhomogenisatoren beruht auf dem Phänomen der akustischen Kavitation. Es ist weithin bekannt, dass die akustische Kavitation intensive physikalische Kräfte, einschließlich sehr starker Scherkräfte, erzeugt. Durch die Einwirkung der mechanischen Kräfte werden die Partikelagglomerate aufgebrochen. Außerdem wird die Flüssigkeit zwischen die Partikel gepresst.
Für das Dispergieren von Pulvern in Flüssigkeiten sind verschiedene Technologien wie Hochdruckhomogenisatoren, Rührwerkskugelmühlen, Perlmühlen und Rotor-Stator-Mischer erhältlich. Ultraschalldispergierer bieten gegenüber diesen Misch- und Mahltechnologien jedoch erhebliche Vorteile. Im Folgenden erfahren Sie, wie die Ultraschalldispergierung funktioniert und welche Vorteile sie bietet.

 

 

Das Arbeitsprinzip der Ultraschall-Kavitation und Dispersion

Bei der Beschallung erzeugen hochfrequente Schallwellen in dem flüssigen Medium abwechselnde Hochdruck- und Niederdruck-Zyklen (Kompression und Rarefaktion). Wenn die Schallwellen das Medium durchdringen, erzeugen sie kleine Vakuumblasen, die sich schnell ausdehnen und dann heftig implodieren. Dieser Vorgang wird als akustische Kavitation bezeichnet. Beim Kollabieren der Vakuumblasen entstehen Hochdruckstoßwellen, Mikrostrahlen und intensive Scherkräfte, wodurch größere Feststoffe und Agglomerate zu sehr kleinen Partikel fragmentiert werden. Beim Ultraschall-Dispergierverfahren fungieren die Partikel selbst als Mahlmedium. Beschleunigt durch die Scherkräfte der Ultraschallkavitation prallen die Partikel aufeinander und werden in winzige Fragmente zerschlagen. Da bei der ultraschall-gestützten Dispersion keine Kügelchen oder Perlen zugesetzt werden, entfallen die zeit- und arbeitsintensive Abtrennung und Reinigung von Mahlmedien sowie Verunreinigungen vollständig.
Dies macht Ultraschall so effektiv beim Dispergieren und Deagglomerieren von Partikeln. Die Ultraschall-Vermahlung funktoniert selbst bei Feststoffen, die mit anderen Methoden nur schwer dispergiert werden können. Dadurch wird mit der Ultraschall-Dispergierung eine gleichmäßigere Verteilung der Partikel und damit einer bessere Produktqualität erzielt.
Darüber hinaus lassen sich mittels Ultraschall Nanomaterialien wie Nanosphären, Nanokristalle, Nanoplättchen, Nanofasern, Nanowires, Core-Shell-Partikel und andere komplexe Strukturen leicht dispergieren und synthetisieren.
Außerdem kann die Beschallung während einer relativ kurzen Prozessdauer durchgeführt werden, was ein großer Vorteil gegenüber anderen Dispersionstechniken ist.

Vorteile der Ultraschall-Dispergierung gegenüber anderen Mischtechnologien

Ultraschall-Dispergierer bieten zahlreiche Vorteile gegenüber alternativen Mischtechnologien wie Hochdruckhomogenisatoren, Perlmühle oder Rotor-Stator-Mischen. Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Verbesserte Partikelgrößenreduktion: Ultraschalldispergierer können die Partikelgröße effektiv bis in den Nanometerbereich reduzieren, was mit vielen anderen Mischtechnologien nicht möglich ist. Dies macht sie ideal für Anwendungen, bei denen eine feine Partikelgröße entscheidend ist.
• Schnelleres Mischen: Ultraschalldispergierer können Materialien schneller mischen und dispergieren als viele andere Technologien, was Zeit spart und die Produktivität erhöht.
• Keine Kontamination: Ultraschall-Dispergierer benötigen keine Mahlkörper wie Kugeln oder Perlen, welche die Dispersion durch Abrieb verunreinigen.
• Bessere Produktqualität: Mit Ultraschall-Dispergierern lassen sich gleichmäßigere Dispersionen und Suspensionen herstellen, was zu einer besseren Produktqualität und -konsistenz führt. Vor allem im Durchflussmodus durchläuft der Dispersions-Slurry die Ultraschallkavitationszone auf sehr kontrollierte Weise, was eine äußerst gleichmäßige Behandlung gewährleistet.
• Geringerer Energieverbrauch: Ultraschalldispergierer benötigen in der Regel weniger Energie als andere Technologien, was die Betriebskosten senkt.
• Vielseitigkeit: Ultraschall-Dispergierer können für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter Homogenisierung, Emulgierung, Dispergierung und Deagglomeration. Sie können zudem eine Vielzahl von Materialien verarbeiten, darunter abrasive Materialien, Fasern, korrosive Flüssigkeiten und sogar Gase.

Aufgrund dieser Prozessvorteile sowie der Zuverlässigkeit und einfachen Bedienung sind Ultraschall-Dispergierer alternativen Mischtechnologien überlegen und werden daher für zahlreiche industriellen Anwendungen eingesetzt.

Dispergieren und Deagglomerieren mit Ultraschall in jedem Maßstab

Hielscher bietet Ultraschallgeräte zum Dispergieren und Deagglomerieren beliebiger Volumina für die Batch- oder Inline-Verarbeitung. Ultraschall-Laborgeräte werden für Volumina von 1,5mL bis ca. 2L eingesetzt. Industrie-Ultraschallgeräte werden in der Prozessentwicklung und Produktion für Chargen von 0,5 bis ca. 2000L oder Durchflussmengen von 0,1L bis 20m³ pro Stunde eingesetzt.

Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern und damit Partikel bis in den Nanobereich zuverlässig dispergieren und zerkleinern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Vorteile der Ultraschalldispergierung: Einfaches Scale-up

Im Gegensatz zu anderen Dispergiertechnologien lässt sich die Ultraschallbehandlung problemlos von Labor- auf Produktionsgröße Hochskalieren. Anhand von Laboversuchen lassen sich die Werte für die industrielle Anlagengröße genau berechnen. Beim Einsatz im Endmaßstab sind die Verfahrensergebnisse mit den Laborergebnissen identisch.

Ultraschallhomogeisatoren: Robust und leicht zu reinigen

Die Ultraschallenergie wird über eine Sonotrode in die Flüssigkeit übertragen. Dies ist ein typischerweise symmetrischer Stab, der aus massivem Titan in Aircraft-Qualität gefertigt ist. Die Sonotrode ist das einzige bewegliche/vibrierende sowie benetzte Teil. Es ist zudem das einzige Teil, das Verschleiß unterliegt und kann innerhalb weniger Minuten ausgetauscht werden. Schwingungsentkoppelnde Flansche ermöglichen die Montage der Sonotrode in offenen sowie geschlossenen druckbeaufschlagbaren Behältern oder Durchflusszellen in beliebiger Ausrichtung. Es werden keine Lager benötigt. Alle anderen medienberührten Teile sind in der Regel aus rostfreiem Stahl gefertigt. Durchflusszellenreaktoren haben einfache Geometrien und können leicht zerlegt und gereinigt werden, z. B. durch Spülen und Abwischen. Es gibt keine kleinen Öffnungen oder versteckte Ecken.

Integrierte Ultraschallreinigung

Ultraschall ist bekannt für den Einsatz bei Reinigungsanwendungen, z. B. für die Reinigung von Oberflächen und Teilen. Die für Dispergieranwendungen verwendete Ultraschallintensität ist deutlich höher als bei der typischen Ultraschallreinigung. Bei der Reinigung der benetzten Teile des Ultraschallgeräts kann die Ultraschallleistung zur Unterstützung der Reinigung während des Spülens und Reinigens genutzt werden, da die Ultraschallkavitation hocheffizient Partikel und Flüssigkeitsrückstände von der Sonotrode und den Wänden der Durchflusszelle entfernt.

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Literatur / Literaturhinweise

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