الطحن الرطب بالموجات فوق الصوتية: جسيمات دقيقة مصممة بدقة

أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher هي معدات طحن فعالة لتقليل حجم الجسيمات بكفاءة عالية، والتشتيت النانوي، والاستحلاب من خلال التجويف فوق الصوتي المضبوط وعالي الشدة. صُممت هذه الأنظمة للاستخدام البحثي والصناعي على حد سواء، وهي تفكك التكتلات وتُنعّم المساحيق وتنتج معلقات متجانسة بصورة موثوقة في مجالات المستحضرات الصيدلانية ومستحضرات التجميل والمواد النانوية والمواد الكيميائية المتخصصة.

من مسحوق خشن إلى جسيمات ميكرونية ونانوية منتظمة

توفر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher المزودة بمسبار طحنًا رطبًا وطحنًا ناعمًا قويين يمكن التحكم فيهما بدقة – دون خرز أو كرات أو وسائط طحن أخرى. أنتج معلقات كثيفة متجانسة وعالية المحتوى الصلب ذات توزيعات ضيقة لأحجام الجسيمات، مع تقصير وقت المعالجة وتقليل متطلبات الطاقة.
بفضل التحكم الدقيق في السعة والانتشار المتقدم للموجات الصوتية، تحقق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية نتائج منتظمة بأدنى تأثير حراري، فتحافظ على المركبات الحساسة مع تعظيم معدل الإنتاج وقابلية تكرار النتائج. اكتشف كيف يمكن للطحن بالموجات فوق الصوتية أن يبسط سير عمل إعداد تركيباتك ويحسن أداء المنتج.

من ينبغي له استخدام الطحن الرطب بالموجات فوق الصوتية؟

• المصنّعون الذين يحتاجون إلى تقليل مضبوط لحجم الجسيمات إلى أبعاد ميكرونية أو نانومترية
• منتجو الأصباغ والأحبار والدهانات والطلاءات عالية الأداء
• القائمون على معالجة السيراميك والمعادن والإسمنت وأكاسيد المعادن
• مطوّرو تركيبات المستحضرات الصيدلانية ومستحضرات التجميل الذين يطورون معلقات دقيقة
• مصنّعو البطاريات والمحفزات والمواد المتقدمة
• الشركات التي تعالج معلقات كثيفة عالية التركيز أو اللزوجة
• المختبرات التي تطور عمليات لتقليل حجم الجسيمات قابلة للتوسيع إلى نطاق أكبر
• المصنّعون الذين يسعون إلى توزيع ضيق ومنتظم لأحجام الجسيمات
• العمليات التي تسعى إلى تجنب التلوث الناتج عن خرز الطحن أو كراته
• المنتجون الذين يهدفون إلى تقليل وقت الطحن واستهلاك الطاقة ومتطلبات التنظيف

تقليل مضبوط لحجم الجسيمات باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة

يمكن لتقليل حجم الجسيمات إلى النطاق الميكروني أو النانومتري أن يُحدث تحولًا في التركيبة. فقد تحسن الجسيمات الأدق التفاعلية والاستقرار ومساحة السطح والخصائص البصرية وأداء المنتج النهائي. ومع ذلك، قد تُدخل المطاحن التقليدية التي تستخدم الكرات أو الخرز أو وسائط الطحن جسيمات ناتجة عن التآكل، وتتطلب فصلًا شاقًا لوسائط الطحن، وتواجه صعوبة في توفير معالجة متسقة عند التركيزات العالية للمواد الصلبة. يوفر الطحن الرطب بالموجات فوق الصوتية بديلًا نظيفًا يمكن التحكم فيه.
تنقل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher المزودة بمسبار موجات فوق صوتية عالية الشدة مباشرة إلى سائل أو معلق كثيف. تُحدث موجات الضغط المتناوبة تجويفًا صوتيًا: تتشكل فقاعات مجهرية وتنهار بشدة فائقة، مولدة نفاثات سائلة عالية السرعة وموجات صدمية وقوى قص قوية. تسرّع هذه القوى الجسيمات المعلقة لتصطدم بعضها ببعض. وتقلل التصادمات بين الجسيمات والتفتت والتآكل السطحي الناتجة حجم التكتلات – والجسيمات الأولية أيضًا في ظروف ذات شدة كافية – إلى أبعاد ميكرونية ونانوية.
 

ألومينا ثلاثية الهيدرات مطحونة بالموجات فوق الصوتية
وُردت AL(OH)3 من شركة Alcoa World Alumina LLC، بيتسبرغ، بنسلفانيا، الولايات المتحدة الأمريكية. تُعرف AL(OH)3 أيضًا باسم ثلاثي هيدروكسيد الألومنيوم من سلسلة ATH، أو ألومينا باير المميهة، أو C-30، أو KB-30، أو KC-30، أو KH-30، أو Hydragyllite، أو Gibbsite. تتراوح صلادتها على مقياس موس بين 2.5 و3.5.

توزيع دقيق ومنتظم لأحجام الجسيمات وقابل للتكرار

يمكن ضبط الطحن بالموجات فوق الصوتية بدرجة كبيرة. يستطيع المشغلون التحكم في السعة والطاقة المدخلة والضغط ودرجة الحرارة وزمن المكوث ومعدل التدفق بما يتناسب مع المادة وحجم الجسيمات المستهدف. وهذا يجعل العملية مناسبة لجميع الاستخدامات، من تفكيك التكتلات بلطف إلى الطحن الناعم المكثف. تُعرّض ترتيبات إعادة التدوير وخلايا التدفق ضمن خط الإنتاج المعلق الكثيف لمنطقة التجويف بصورة منتظمة، مما يدعم نتائج قابلة للتكرار وتوزيعًا ضيقًا ومتجانسًا لأحجام الجسيمات.
يُعد هذا المستوى من التحكم ذا قيمة للأصباغ والأحبار والطلاءات والسيراميك وأكاسيد المعادن والمعادن والمحفزات والمستحضرات الصيدلانية وغيرها من المواد المتقدمة التي قد تتأثر جودتها سلبًا بسبب الجسيمات الأكبر من الحجم المطلوب أو التوزيع الواسع للأحجام. يمكن نقل معلمات العملية المحددة في المختبر إلى الإنتاج التجريبي والصناعي، مما يتيح التطوير المنهجي والتوسيع إلى نطاق أكبر.

معالجة بمحتوى صلب مرتفع دون وسائط طحن

لأن تقليل حجم الجسيمات يعتمد على التجويف والتصادمات بين الجسيمات نفسها، فلا حاجة إلى الخرز أو الحبيبات أو كرات الطحن. يؤدي الاستغناء عن وسائط الطحن إلى تجنب مصدر محتمل للتلوث وإلغاء الحاجة إلى شراء هذه الوسائط وتنظيفها واستبدالها وفصلها عن المعلق الكثيف النهائي. كما يسهل الشكل الهندسي البسيط للأجزاء الملامسة للسائل التنظيف والانتقال من منتج إلى آخر.
تستطيع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher معالجة معلقات كثيفة عالية التركيز واللزوجة. يعني ارتفاع المحتوى من المواد الصلبة التعامل مع كمية أقل من السائل، وفي كثير من الحالات تقليل الحاجة إلى التركيز أو التجفيف في المراحل اللاحقة. ويمكنه أيضًا تعزيز تأثير الطحن بين الجسيمات من خلال زيادة تواتر تصادماتها. يجعل هذا المزيج الطحن بالموجات فوق الصوتية جذابًا بصفة خاصة للخلطات الأم المركزة والمعلقات على نطاق الإنتاج.
 

صور مجهرية تُظهر تقدم الطحن بالموجات فوق الصوتية لأصباغ أرجوانية ذات أساس زيتي

أمثلة: الطحن الرطب للجسيمات النانوية باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة

يُعد الطحن بالموجات فوق الصوتية مناسبًا بصفة خاصة لمعالجة المواد ذات الأبعاد الميكرونية والنانوية، مثل السيراميك والألومينا ثلاثية الهيدرات وكبريتات الباريوم وكربونات الكالسيوم وأكاسيد المعادن. تعرض الجداول أدناه صورًا مجهرية لطحن الألومينا ثلاثية الهيدرات (من 150 ميكرون إلى 10 ميكرون)، والسيراميك (من 30 ميكرون إلى 2 ميكرون)، وكربونات الصوديوم (من 70 ميكرون إلى 3 ميكرون). تُظهر الصور المجهرية في هذه الصفحة تقدم الطحن بالموجات فوق الصوتية من خلال أمثلة سيراميك الأسنان والأصباغ الأرجوانية وكربونات الصوديوم والألومينا المميهة.
 

صور مجهرية تُظهر تقدم الطحن بالموجات فوق الصوتية لكربونات الصوديوم (Na2CO3) في الأيزوبروبانول.

إنتاج أكبر من كل خطوة معالجة

تُوصل الطاقة فوق الصوتية مباشرة إلى المعلق الكثيف، حيث يحدث تقليل حجم الجسيمات. يمكن لقوى التجويف السريعة أن تقصر دورات الطحن، في حين يمكن للتحويل الفعال للطاقة الكهربائية إلى حركة ميكانيكية أن يقلل متطلبات الطاقة مقارنة بمعدات الطحن التقليدية. وتدعم المعالجة المستمرة ضمن خط الإنتاج أيضًا معدل إنتاج مرتفعًا وجودة متسقة والتكامل مع خطوط الإنتاج الحالية.
بالنسبة للمصنّعين الذين يسعون إلى جسيمات أصغر وتوزيعات أضيق ومعالجة أنظف وتوسيع فعال إلى نطاق أكبر، تحول أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher المزودة بمسبار الطحن الرطب إلى عملية مصممة بدقة – من التجارب المختبرية إلى الإنتاج الصناعي المستمر.

تشغيل مستمر لتحقيق معدل إنتاج مرتفع

يسهل جدًا تركيب المجانسات بالموجات فوق الصوتية وتشغيلها. لا يلامس المادة المراد طحنها سوى جزأين: السونوترود المصنوع من التيتانيوم وخلية التدفق المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ. وبفضل التصميم البسيط لخلية التدفق بالموجات فوق الصوتية، يمكن تنظيف الوحدات بسرعة. ونظرًا إلى أن أجهزة Hielscher بالموجات فوق الصوتية تتمتع بكفاءة عالية جدًا في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، فإن الطحن بالموجات فوق الصوتية يحتاج عمومًا إلى قدرة أقل من معدات الطحن التقليدية.

جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية الصناعي UIP6000hdT (6kW) لتشتيت الأصباغ والتعقيم الميكروبي لتركيبات الدهانات والطلاءات ذات الأساس المائي في الوقت نفسه يعتمد تأثير طحن الجسيمات على التجويف فوق الصوتي الشديد. عند معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية بشدة عالية، تؤدي الموجات الصوتية التي تنتشر في الأوساط السائلة إلى دورات متناوبة من الضغط المرتفع (الانضغاط) والضغط المنخفض (التخلخل)، بمعدلات تعتمد على التردد. خلال دورة الضغط المنخفض، تُنشئ الموجات فوق الصوتية عالية الشدة فقاعات فراغية صغيرة أو تجاويف في السائل. وعندما تصل الفقاعات إلى حجم لا تستطيع عنده امتصاص مزيد من الطاقة، تنهار بعنف خلال دورة الضغط المرتفع. تُسمى هذه الظاهرة التجويف.
ينتج عن الانهيار الداخلي لفقاعات التجويف اضطرابات دقيقة ونفاثات دقيقة تصل سرعتها إلى 1000km/hr. تتعرض الجسيمات الكبيرة للتآكل السطحي (بفعل انهيار التجويف في السائل المحيط) أو لتقليل حجمها (بسبب الانشطار نتيجة التصادم بين الجسيمات أو انهيار فقاعات التجويف المتشكلة على السطح). يؤدي ذلك إلى تسارع كبير في الانتشار وعمليات انتقال الكتلة وتفاعلات الطور الصلب نتيجة تغير حجم البلورات الدقيقة وبنيتها.

تتوفر معالجات بالموجات فوق الصوتية وخلايا تدفق للتشتيت والطحن الرطب للمساحيق على المستوى المختبري والإنتاجي. يمكن بسهولة تعديل الأنظمة الصناعية للعمل ضمن خط الإنتاج. وللبحث واختبار هذه العملية، وكذلك للعديد من العمليات الكيميائية الصوتية، نوصي بأجهزتنا المختبرية أو بجهاز UIP1000hd.

يمكن تشتيت الألماس النانوي بكفاءة وموثوقية باستخدام أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher.

المؤلفات / المراجع

• Almir Draganović, Antranik Karamanoukian, Peter Ulriksen, Stefan Larsson (2020): Dispersion of microfine cement grout with ultrasound and conventional laboratory dissolvers. Construction and Building Materials, Volume 251, 2020.
• I. Fasaki, K. Siamos, M. Arin, P. Lommens, I. Van Driessche, S.C. Hopkins, B.A. Glowacki, I. Arabatzis (2012): Ultrasound assisted preparation of stable water-based nanocrystalline TiO2 suspensions for photocatalytic applications of inkjet-printed films. Applied Catalysis A: General, Volumes 411–412, 2012. 60-69.

UIP1000hd

• Badgujar, N.P.; Bhoge, Y.E.; Deshpande, T.D.; Bhanvase, B.A.; Gogate, P.R.; Sonawane, S.H.; Kulkarni, R.D. (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment Resin Technology, Vol. 44 No. 4, 2015. 214-223.
• Bhagawat, L.I., Patil, V.S., Kale, B.B., Sonawane, S.H., Bhanvase, B.A., Pinjari, D.V. and Ashokkumar, M. (2016): Sonoprocessing of LiFePO4 nanoparticles and nanocomposites for cathode material in lithium ion batteries. Polymer Composites 37, 2026. 1874-1880.
• Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.