一、超声分散是什么？

超声分散，简单说就是利用超声波的能量把液体中的固体颗粒、液滴或其他分散物“打散”，让它们均匀分布在液体中。

很多材料进入液体后，会出现团聚、沉降、分布不均的现象。比如石墨烯粉末倒进水里，不会自动散开，而是抱成一团浮在水面或沉在底部。纳米颗粒由于比表面积大、表面能高，尤其容易发生团聚。如果不先做分散处理，这些团聚体在后续的使用或检测中就无法发挥出应有的性能。

超声分散的任务，就是通过物理手段把这些团聚体拆开，让颗粒以更小的尺寸、更均匀的状态分布在液体中。

二、超声分散的工作原理

超声分散的核心是空化效应

设备工作时，换能器将电能转换成高频机械振动——通常在20kHz左右，也就是每秒钟振动两万次。这种振动通过探头（也叫变幅杆）传递到液体中。超声波在液体里传播时，会形成交替的高压区和低压区。

在低压区，液体内部会形成大量微小的气泡（空化泡）；当高压区到来时，这些气泡会在极短的时间内猛烈崩溃。气泡崩溃的瞬间，会释放出强烈的冲击波和高速微射流

这种力量足以克服纳米颗粒之间的范德华力和静电引力。原本通过分子间作用力“抱团”在一起的颗粒，在空化产生的剪切力和冲击波作用下被拆散。与此同时，空化还能产生局部高温和声流等效应，帮助液体更好地浸润颗粒表面。经过这样的处理，颗粒就能更均匀地分散在液体中。

三、超声分散相比传统方法有什么优势？

传统的分散方法有好几种，各有特点，也各有局限。

机械搅拌依靠的是搅拌桨旋转带动液体流动。这种方式对于一般的混合还能应付，但处理纳米级的团聚体时效果有限——搅拌产生的剪切力不够强，很难把细小的颗粒团拆开。

球磨分散通过研磨介质（如氧化锆球）的撞击和摩擦来实现颗粒细化。这种方法在工业上用得多，但有几个问题：研磨过程中可能引入介质磨损产生的杂质污染；处理时间比较长；而且对于某些脆性材料，过度研磨可能破坏颗粒的晶体结构。

高速剪切分散利用转子和定子之间的狭小缝隙产生剪切力。虽然剪切强度比普通搅拌高，但处理过程中容易裹入大量空气，导致浆料起泡，而且剪切力主要集中在设备附近，处理均匀性受批次影响。

相比之下，超声分散有几个比较明显的特点：

分散效率相对较高。空化效应产生的能量密度比较集中，可以在较短时间内完成分散处理。对于某些纳米材料，超声分散可以在几分钟内达到其他方法几十分钟甚至几小时才能实现的效果。

粒径控制较好。超声分散的参数——功率、时间、脉冲模式——都可以调节。不同材料对超声的敏感程度不同，通过调整参数可以在一定程度上控制分散后的颗粒尺寸分布。

可重复性相对较强。数字化的参数设置使得不同批次之间的处理条件保持一致。这一点对于需要标准化操作的实验室来说比较重要。

不易引入杂质。超声分散是纯物理过程，探头直接接触样品但不产生磨损颗粒。不像球磨可能引入研磨介质碎屑，也不像化学分散法需要添加分散剂。对于对纯度有要求的应用场景，这是一个值得考虑的因素。

四、超声分散有哪些应用？

超声分散的应用领域比较广泛，下面列举几个主要的方面。

纳米材料分散是超声分散最主要的应用之一。石墨烯、碳纳米管、纳米二氧化硅等材料由于比表面积大、表面能高，极易团聚。超声分散可以有效拆解这些团聚体。在碳纳米管复合导电浆料的制备中，超声破碎处理是关键的工艺步骤。在石墨烯的液相剥离和分散中，超声也是常用的手段

生物样品处理是另一个重要的应用方向。在生物实验室中，超声分散用于细胞破碎、蛋白提取、DNA/RNA提取等操作。超声的空化效应可以破坏细胞膜，释放胞内物质。

药物研发与制剂制备中，超声分散也有应用。脂质体是药物递送中常用的一种载体，超声分散法是制备脂质体的方法之一。通过超声处理，可以将磷脂等原料分散在水箱中，形成粒径均匀的脂质体。

乳液制备方面，超声可用于制备油水乳液。在食品、化妆品等行业，超声乳化可以实现较小的液滴尺寸。

五、Hielscher超声设备在分散领域的应用

Hielscher是一家德国超声技术企业，其设备在分散领域有比较多的应用实例。

在方面，Hielscher的探头式超声设备被用于碳纳米管、石墨烯、纳米金刚石等多种纳米材料的分散处理。探头式设计将能量直接作用于样品，能量传递效率较高。UP200St（200W，26kHz）和UP400St（400W，24kHz）是实验室常用的型号，可适配不同直径的钛合金探头，以应对从微量到数升的不同处理量

连续流处理方面，UP200St和UP400St都可以搭配流通池使用，实现连续流分散处理

高通量场景方面，UIP400MTP（400W，20kHz）是一款专为多孔板设计的非接触式超声处理器，可适配6孔至384孔板，适合需要同时处理多个样品的场景。

从实验室到生产的衔接方面，Hielscher的产品线从实验室UP系列延伸到工业UIP系列。实验室阶段开发的工艺参数可以直接迁移到工业设备上，减少了放大过程中的参数重新优化的工作量。