Ultraschall-Nassmahlung: Feine Partikel, präzise erzeugt
Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen eine hocheffiziente Partikelgrößenreduzierung, Nanodispergierung und Emulgierung durch kontrollierte, hochintensive Ultraschallkavitation. Diese für Forschung und industrielle Anwendungen entwickelten Systeme zerkleinern zuverlässig Agglomerate, verfeinern Pulver und erzeugen homogene Suspensionen in den Bereichen Pharmazeutika, Kosmetik, Nanomaterialien und Spezialchemikalien.
Vom groben Pulver zu gleichmäßigen Mikro- und Nanopartikeln
Die mit Sonotroden ausgestatteten Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen eine leistungsstarke, präzise steuerbare Nassmahlung und Feinmahlung – ohne Mahlperlen, Mahlkugeln oder andere Mahlkörper. Erzeugen Sie homogene Suspensionen mit hohem Feststoffgehalt und engen Partikelgrößenverteilungen, während Sie gleichzeitig die Verarbeitungszeit verkürzen und den Energiebedarf senken.
Durch präzise Amplitudenregelung und fortschrittliche Schallwellenausbreitung erzielen die Ultraschallgeräte gleichmäßige Ergebnisse bei minimaler thermischer Belastung. Dadurch werden empfindliche Verbindungen geschont und zugleich Durchsatz und Reproduzierbarkeit maximiert. Entdecken Sie, wie die Ultraschallmahlung Ihren Arbeitsablauf bei der Formulierungsentwicklung vereinfachen und die Leistungsfähigkeit Ihrer Produkte steigern kann.
Für wen eignet sich die Ultraschall-Nassmahlung?
- Hersteller, die eine kontrollierte Partikelzerkleinerung auf Mikrometer- oder Nanometergröße benötigen
- Hersteller von Pigmenten, Druckfarben, Lacken und Hochleistungsbeschichtungen
- Verarbeiter von Keramik, Mineralien, Zement und Metalloxiden
- Entwickler pharmazeutischer und kosmetischer Formulierungen mit feinen Suspensionen
- Hersteller von Batterien, Katalysatoren und modernen Werkstoffen
- Unternehmen, die hochkonzentrierte oder viskose Suspensionen verarbeiten
- Laboratorien, die skalierbare Verfahren zur Partikelgrößenreduzierung entwickeln
- Hersteller, die eine enge, gleichmäßige Partikelgrößenverteilung anstreben
- Betriebe, die Verunreinigungen durch Mahlperlen oder Mahlkugeln vermeiden möchten
- Hersteller, die Mahldauer, Energieverbrauch und Reinigungsaufwand reduzieren möchten
Informieren Sie uns über Ihr Material, Ihren Feststoffgehalt und die angestrebte Partikelgröße. Unser Expertenteam für Ultraschallbehandlung empfiehlt Ihnen eine Ultraschallkonfiguration zur Verbesserung Ihrer Partikelmahlung.
Industrielles Ultraschallgerät UIP16000hdT mit 16.000 Watt zur Nassmahlung von Pigmenten und Nanopartikeln
Kontrollierte Partikelgrößenreduzierung mit Leistungsultraschall
Die Zerkleinerung von Partikeln auf den Mikrometer- oder Nanometerbereich kann eine Formulierung grundlegend verändern. Feinere Partikel können Reaktivität, Stabilität, Oberfläche, optische Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit des Endprodukts verbessern. Herkömmliche Kugel-, Perl- und andere Mahlkörpermühlen können jedoch Abriebpartikel eintragen, eine aufwendige Abtrennung der Mahlkörper erfordern und bei hohen Feststoffkonzentrationen Schwierigkeiten haben, eine gleichmäßige Behandlung zu gewährleisten. Die Ultraschall-Nassmahlung bietet eine saubere, steuerbare Alternative.
Die mit Sonotroden ausgestatteten Ultraschallgeräte von Hielscher übertragen hochintensiven Ultraschall direkt in eine Flüssigkeit oder Suspension. Die wechselnden Druckwellen erzeugen akustische Kavitation: Mikroskopisch kleine Blasen entstehen und kollabieren mit extremer Intensität, wobei schnelle Flüssigkeitsstrahlen, Stoßwellen und starke Scherkräfte entstehen. Diese Kräfte beschleunigen suspendierte Partikel so, dass sie aufeinanderprallen. Die daraus resultierenden Kollisionen zwischen den Partikeln, ihre Fragmentierung und die Oberflächenerosion zerkleinern Agglomerate – und unter ausreichend intensiven Bedingungen auch Primärpartikel – auf Mikro- und Nanogröße.
Mit Ultraschall gemahlenes Aluminiumoxid-Trihydrat
AL(OH)3 wurde von Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, USA, geliefert. AL(OH)3 ist auch als Aluminiumtrihydroxid der ATH-Serie, Bayer-Aluminiumoxidhydrat, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, Hydrargillit oder Gibbsit bekannt. Es hat eine Mohshärte von 2,5 bis 3,5.
Ultraschall-Durchflussreaktoren für die industrielle Inline-Produktion von Nanopartikelsuspensionen.
Präzise, reproduzierbare und gleichmäßige Partikelgrößenverteilung
Die Ultraschallmahlung lässt sich umfassend einstellen. Bediener können Amplitude, Energieeintrag, Druck, Temperatur, Verweilzeit und Volumenstrom an das Material und die angestrebte Partikelgröße anpassen. Dadurch eignet sich das Verfahren für Anwendungen von der schonenden Deagglomeration bis zur intensiven Feinmahlung. Rezirkulation und Inline-Konfigurationen mit Durchflusszellen setzen die Suspension gleichmäßig der Kavitationszone aus und unterstützen so reproduzierbare Ergebnisse sowie eine enge, homogene Partikelgrößenverteilung.
Dieses Maß an Kontrolle ist wertvoll für Pigmente, Druckfarben, Beschichtungen, Keramik, Metalloxide, Mineralien, Katalysatoren, Pharmazeutika und andere moderne Materialien, bei denen übergroße Partikel oder eine breite Verteilung die Qualität beeinträchtigen können. Im Labor ermittelte Prozessparameter lassen sich auf die Pilot- und Industrieproduktion übertragen und ermöglichen so eine systematische Entwicklung und Maßstabsvergrößerung.
Verarbeitung hoher Feststoffgehalte ohne Mahlkörper
Da die Partikelzerkleinerung durch Kavitation und Kollisionen zwischen den Partikeln selbst erfolgt, sind keine Mahlperlen oder Mahlkugeln erforderlich. Der Verzicht auf Mahlkörper vermeidet eine potenzielle Verunreinigungsquelle und macht es überflüssig, Mahlkörper zu kaufen, zu reinigen, zu ersetzen und aus der fertigen Suspension abzutrennen. Die einfache Geometrie der produktberührten Bereiche erleichtert zudem die Reinigung und den Produktwechsel.
Ultraschallgeräte von Hielscher können hochkonzentrierte und viskose Suspensionen verarbeiten. Ein hoher Feststoffgehalt bedeutet, dass weniger Flüssigkeit gehandhabt werden muss und in vielen Fällen weniger nachgeschaltete Aufkonzentrierung oder Trocknung erforderlich ist. Er kann auch die Mahlwirkung zwischen den Partikeln verstärken, indem er die Häufigkeit von Partikelkollisionen erhöht. Diese Kombination macht die Ultraschallmahlung besonders attraktiv für konzentrierte Masterbatches und Suspensionen im Produktionsmaßstab.
Mikroskopaufnahmen zeigen den Fortschritt der Ultraschallmahlung von ölbasierten Magentapigmenten
Beispiele: Nassmahlung von Nanopartikeln mit Leistungsultraschall
Die Ultraschallmahlung eignet sich besonders für die Verarbeitung von Materialien im Mikrometer- und Nanometerbereich, beispielsweise Keramik, Aluminiumoxid-Trihydrat, Bariumsulfat, Calciumcarbonat und Metalloxiden. Die folgenden Tabellen zeigen Mikroskopaufnahmen der Mahlung von Aluminiumoxid-Trihydrat (von 150 Mikrometer auf 10 Mikrometer), Keramik (von 30 Mikrometer auf 2 Mikrometer) und Natriumcarbonat (von 70 Mikrometer auf 3 Mikrometer). Die Mikroskopaufnahmen auf dieser Seite zeigen Ihnen den Fortschritt der Ultraschallmahlung anhand von Dentalkeramik, Magentapigmenten, Natriumcarbonat und hydratisiertem Aluminiumoxid.
Mikroskopaufnahmen zeigen den Fortschritt der Ultraschallmahlung von Natriumcarbonat (Na2CO3) in Isopropanol.
Mit Ultraschall behandelte Kreidefarbe auf dem Grindometer demonstriert die vollkommen gleichmäßige Deagglomeration und Partikelgrößenverteilung der Pigmente
Die Ultraschalldispergierung gewährleistet eine wirksame Partikelgrößenreduzierung und eine gleichmäßige Verteilung von Rußpigmenten in UV-Tinte.
Mehr Ertrag bei jedem Verarbeitungsschritt
Ultraschallenergie wird direkt in die Suspension eingetragen, wo die Partikelgrößenreduzierung stattfindet. Schnell wirkende Kavitationskräfte können Mahlzyklen verkürzen, während die effiziente Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Bewegung den Energiebedarf gegenüber herkömmlichen Mahlgeräten senken kann. Die kontinuierliche Inline-Verarbeitung unterstützt zudem einen hohen Durchsatz, gleichbleibende Qualität und die Integration in bestehende Produktionslinien.
Für Hersteller, die kleinere Partikel, engere Verteilungen, eine sauberere Verarbeitung und eine effiziente Maßstabsvergrößerung anstreben, machen die mit Sonotroden ausgestatteten Ultraschallgeräte von Hielscher die Nassmahlung zu einem präzise ausgelegten Verfahren – von Laborversuchen bis zur kontinuierlichen industriellen Produktion.
Kontinuierlicher Betrieb für hohen Durchsatz
Ultraschallhomogenisatoren lassen sich sehr einfach installieren und bedienen. Nur zwei Teile kommen mit dem zu mahlenden Material in Kontakt: die Titansonotrode und die Durchflusszelle aus Edelstahl. Aufgrund der einfachen Konstruktion der Ultraschall-Durchflusszelle können die Geräte schnell gereinigt werden. Da Ultraschallgeräte von Hielscher bei der Umwandlung elektrischer in mechanische Energie einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisen, ist für die Ultraschallmahlung im Allgemeinen weniger Leistung erforderlich als für herkömmliche Mahlgeräte.
Industrielles Ultraschallgerät UIP6000hdT (6kW) zur gleichzeitigen Pigmentdispergierung und mikrobiellen Sterilisation wasserbasierter Farb- und Beschichtungsformulierungen
Die Mahlwirkung beruht auf intensiver Ultraschallkavitation. Bei der Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten mit hohen Intensitäten erzeugen die sich im flüssigen Medium ausbreitenden Schallwellen abwechselnde Hochdruck- (Kompression) und Niederdruckzyklen (Expansion), deren Wiederholungsrate von der Frequenz abhängt. Während des Niederdruckzyklus erzeugen hochintensive Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine Energie mehr aufnehmen können, kollabieren sie während eines Hochdruckzyklus heftig. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet.
Die Implosion der Kavitationsblasen erzeugt Mikroturbulenzen und Mikrostrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000km/hr. Große Partikel erfahren Oberflächenerosion (durch den Kollaps von Kavitationsblasen in der umgebenden Flüssigkeit) oder eine Partikelgrößenreduzierung (durch Spaltung infolge von Kollisionen zwischen Partikeln oder durch den Kollaps von Kavitationsblasen, die sich an der Oberfläche gebildet haben). Dies führt aufgrund der Veränderung von Kristallitgröße und -struktur zu einer starken Beschleunigung der Diffusion, der Stofftransportprozesse und der Festphasenreaktionen.
Ultraschallprozessoren und Durchflusszellen zum Dispergieren und zur Nassmahlung von Pulvern sind für den Labor- und Produktionsmaßstab erhältlich. Die industriellen Systeme lassen sich leicht für den Inline-Betrieb nachrüsten. Für die Erforschung und Erprobung dieses Verfahrens sowie für viele sonochemische Prozesse empfehlen wir unsere Laborgeräte oder den UIP1000hd.
Nanodiamanten lassen sich mit Ultraschallgeräten von Hielscher effizient und zuverlässig dispergieren.
Häufig gestellte Fragen zur Ultraschall-Nassmahlung
Was ist Ultraschall-Nassmahlung?
Die Ultraschall-Nassmahlung ist ein Verfahren zur Partikelgrößenreduzierung, bei dem eine flüssige Suspension mit leistungsstarkem Ultraschall behandelt wird. Akustische Kavitation erzeugt intensive Scherkräfte, Stoßwellen und Kollisionen zwischen Partikeln, die Agglomerate aufbrechen und Feststoffpartikel auf Mikrometer- oder Nanometerabmessungen zerkleinern.
Wie reduziert ein Ultraschallgerät mit Sonotrode die Partikelgröße?
Die Ultraschallsonotrode überträgt hochintensiven Ultraschall direkt in die Suspension. Kavitationsblasen entstehen und kollabieren. Dabei erzeugen sie schnelle Flüssigkeitsstrahlen, die Partikel so beschleunigen, dass sie aufeinanderprallen. Diese Kollisionen bewirken Partikelfragmentierung, Oberflächenerosion und eine wirksame Deagglomeration.
Kann die Ultraschall-Nassmahlung Nanopartikel erzeugen?
Ja. Die mit Sonotroden ausgestatteten Ultraschallgeräte von Hielscher können zur kontrollierten Mikronisierung und Zerkleinerung auf Nanogröße eingesetzt werden. Die erreichbare Partikelgröße hängt vom Material, der Ausgangspartikelgröße, der Suspensionsformulierung, der Feststoffkonzentration, der Verarbeitungsintensität, der Temperatur, dem Druck und der Beschallungsdauer ab.
Welche Materialien können durch Ultraschallmahlung verarbeitet werden?
Die Ultraschall-Nassmahlung eignet sich für Pigmente, Druckfarben, Keramik, Metalloxide, Mineralien, Zement, Katalysatoren, Batteriematerialien, Pharmazeutika, Kosmetika und moderne Nanomaterialien. Sie kann Partikel verarbeiten, die in Wasser, Lösungsmitteln, Ölen, Harzen und anderen kompatiblen flüssigen Medien suspendiert sind.
Erfordert die Ultraschallmahlung Mahlperlen oder Mahlkugeln?
Nein. Die Partikelgrößenreduzierung mit Ultraschall erfordert keine herkömmlichen Mahlkörper. Durch Kavitation verursachte Partikelkollisionen erzeugen die Mahlwirkung. Der Verzicht auf Mahlperlen und Mahlkugeln reduziert das Risiko mahlkörperbedingter Verunreinigungen und macht die Abtrennung, Reinigung, den Austausch und die Entsorgung von Mahlkörpern überflüssig.
Können Ultraschallgeräte von Hielscher Suspensionen mit hohem Feststoffgehalt verarbeiten?
Ja. Ultraschallprozessoren von Hielscher können hochkonzentrierte und viskose Suspensionen verarbeiten. Ein hoher Feststoffgehalt verringert das zu verarbeitende Flüssigkeitsvolumen und kann Kollisionen zwischen Partikeln intensivieren. Dadurch ist die Ultraschallmahlung für konzentrierte Suspensionen und die Masterbatch-Produktion attraktiv.
Erzeugt die Ultraschallmahlung eine enge Partikelgrößenverteilung?
Die gleichmäßige Einwirkung der Ultraschall-Kavitationszone unterstützt eine enge und homogene Partikelgrößenverteilung. Rezirkulation und kontinuierliche Inline-Verarbeitung tragen dazu bei, eine gleichmäßige Behandlung der gesamten Suspension sicherzustellen und gleichzeitig die Anzahl übergroßer oder unzureichend verarbeiteter Partikel zu reduzieren.
Welche Parameter der Ultraschallmahlung lassen sich steuern?
Wichtige Parameter sind Ultraschallamplitude, Energieeintrag, Druck, Temperatur, Volumenstrom, Verweilzeit und Feststoffkonzentration. Eine präzise Steuerung ermöglicht es, den Prozess auf schonende Deagglomeration, intensive Feinmahlung oder reproduzierbare Nanodispergierung einzustellen.
Ist die Ultraschall-Nassmahlung energieeffizient?
Ultraschallenergie wird direkt in die Suspension übertragen, in der die Partikelgrößenreduzierung stattfindet. Schnell wirkende Kavitationskräfte können Verarbeitungszyklen verkürzen und den Energiebedarf gegenüber einigen herkömmlichen Mahlverfahren reduzieren. Der tatsächliche Energieverbrauch hängt vom Material, der angestrebten Partikelgröße, dem Durchsatz und der Prozesskonfiguration ab.
Kann die Ultraschallmahlung kontinuierlich betrieben werden?
Ja. Ultraschallgeräte von Hielscher können mit Durchflusszellenreaktoren für die kontinuierliche Inline-Nassmahlung kombiniert werden. Die Inline-Verarbeitung ermöglicht eine kontrollierte Verweilzeit, gleichbleibende Produktqualität, einen hohen Durchsatz und eine unkomplizierte Integration in bestehende industrielle Produktionslinien.
Lässt sich ein Ultraschallmahlverfahren auf einen größeren Maßstab übertragen?
Die Ultraschallmahlung kann mit einem Labor-Ultraschallgerät entwickelt und anhand definierter Prozessparameter und eines spezifischen Energieeintrags auf Pilot- oder Industrieanlagen übertragen werden. Hielscher bietet Ultraschallgeräte mit Sonotrode für Versuche im kleinen Maßstab, die Prozessentwicklung und die kontinuierliche kommerzielle Produktion an.
Wie wähle ich das richtige Ultraschallgerät von Hielscher aus?
Die Auswahl des Ultraschallgeräts hängt vom Material, dem Suspensionsvolumen, dem Feststoffgehalt, der Viskosität, der Ausgangspartikelgröße, der erforderlichen Endgröße und dem gewünschten Durchsatz ab. Ein Mahlversuch kann helfen, die optimale Amplitude, den Energiebedarf, die Sonotrodengeometrie und die geeignete Chargen- oder Inline-Konfiguration zu bestimmen.
Erfahren Sie mehr über das Prozesslabor von Hielscher für Ihre Machbarkeitstests und Prozessoptimierung.
Literatur / Quellen
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UIP1000hd
Mikroskopaufnahmen zeigen den Fortschritt der Ultraschallmahlung von Dentalkeramik