Ултразвуково мокро смилане: фини частици, прецизно проектирани

Ултразвуковите апарати на Hielscher са ефективно оборудване за смилане, предназначено за високоефективно намаляване на размера на частиците, нанодисперсия и емулгиране чрез контролирана ултразвукова кавитация с висока интензивност. Проектирани както за научноизследователски, така и за промишлени нужди, тези системи надеждно разграждат агломерати, усъвършенстват прахове и създават хомогенни суспензии в областта на фармацевтиката, козметиката, наноматериалите и специалните химикали.

От едрозърнест прах до еднородни микро- и наночастици

Устройствата за ултразвуково обработване от типа „сонда“ на Hielscher осигуряват мощно и прецизно регулируемо мокро смилане и фино смилане – без перли, топчета или други смилащи тела. Получават се хомогенни суспензии с високо съдържание на твърди вещества и тясно разпределение на размера на частиците, като същевременно се съкращава времето за обработка и се намалява потреблението на енергия.
Чрез прецизен контрол на амплитудата и усъвършенствано разпространение на акустичните вълни ултразвуковите устройства постигат еднородни резултати с минимално термично въздействие, като запазват чувствителните съединения и същевременно осигуряват максимална производителност и възпроизводимост. Открийте как ултразвуковото смилане може да оптимизира работния процес по разработване на формули и да подобри характеристиките на продукта.

Кой трябва да използва ултразвуковото мокро смилане?

• Производители, които се нуждаят от контролирано намаляване на размера на частиците до микрони или нанометри
• Производители на пигменти, мастила, бои и висококачествени покрития
• Устройства за обработка на керамика, минерали, цимент и метални оксиди
• Специалисти по разработване на фармацевтични и козметични формули, занимаващи се с разработването на фини суспензии
• Производители на батерии, катализатори и съвременни материали
• Предприятия, които преработват силно концентрирани или вискозни суспензии
• Лаборатории, разработващи мащабируеми процеси за намаляване на размера на частиците
• Производители, които търсят тясно и еднородно разпределение на размера на частиците
• Процеси, при които се стреми да се избегне замърсяване от фрезови перли или топчета
• Производители, които се стремят да намалят времето за смилане, енергопотреблението и изискванията за почистване

Контролирано намаляване на размера на частиците с помощта на мощни ултразвукови вълни

Намаляването на размера на частиците до микронен или нанометров диапазон може да промени изцяло дадена формула. По-фините частици могат да подобрят реактивността, стабилността, повърхностния обем, оптичните свойства и характеристиките на крайния продукт. Въпреки това, конвенционалните мелници с топки, перли и абразивни материали могат да въведат частици от износване, изискват трудоемко отделяне на абразивните материали и изпитват затруднения при осигуряването на равномерна обработка при високи концентрации на твърди вещества. Ултразвуковото мокро смилане предлага чиста и контролируема алтернатива.
Ултразвуковите апарати от типа „сонда“ на Hielscher предават ултразвук с висока интензивност директно в течност или суспензия. Променливите налягателни вълни предизвикват акустична кавитация: микроскопични мехурчета се образуват и се разрушават с изключителна интензивност, генерирайки високоскоростни течни струи, ударни вълни и мощни срязващи сили. Тези сили ускоряват сблъсъците между частиците в суспензията. Получените сблъсъци между частиците, фрагментацията и ерозията на повърхността намаляват агломератите – и, при достатъчно екстремни условия, първичните частици – до микро- и наноразмери.
 

Трихидрат на алуминиев оксид, смлян с ултразвук
AL(OH)₃ беше доставен от Alcoa World Alumina LLC, Питсбърг, Пенсилвания, САЩ. AL(OH)₃ е известен също като алуминиев трихидроксид от серията ATH, хидратиран алуминиев оксид на Bayer, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, хидрагилит или гибсит. Той има твърдост по скалата на Моос’ твърдост от 2,5 до 3,5.

Точно, повторимо и равномерно разпределение на размера на частиците

Ултразвуковото смилане е изключително гъвкаво. Операторите могат да регулират амплитудата, вложената енергия, налягането, температурата, времето на престой и дебита, за да ги съобразят с материала и желания размер на частиците. Това прави процеса подходящ за всичко – от щадящо раздробяване до интензивно фино смилане. Конфигурациите с рециркулация и вградена поточна клетка излагат суспензията равномерно на действието на кавитационната зона, което осигурява възпроизводими резултати и тясно, хомогенно разпределение на размера на частиците.
Това ниво на контрол е от голямо значение за пигменти, мастила, покрития, керамика, метални оксиди, минерали, катализатори, фармацевтични продукти и други съвременни материали, при които прекалено големите частици или широкото разпределение по размер могат да компрометират качеството. Параметрите на процеса, установени в лабораторни условия, могат да бъдат пренесени към пилотно и промишлено производство, което позволява систематично разработване и мащабиране.

Обработка с високо съдържание на твърди частици без използване на смилащи тела

Тъй като намаляването на размера на частиците се осъществява чрез кавитация и сблъсъци между самите частици, не са необходими топчета, перли или мелнични топки. Премахването на мелничните тела елиминира потенциален източник на замърсяване и премахва необходимостта от закупуване, почистване, подмяна и отделяне на телата от готовата суспензия. Опростената геометрия на мокрите повърхности също улеснява почистването и смяната на продукта.
Ултразвуковите апарати на Hielscher могат да обработват силно концентрирани и вискозни суспензии. Високото съдържание на твърди вещества означава по-малко течност за обработка и, в много случаи, по-малко последващо концентриране или сушене. Това също така може да засили ефекта на смилане между частиците чрез увеличаване на честотата на сблъсъците между тях. Тази комбинация прави ултразвуковото смилане особено привлекателно за концентрирани мастербатчи и суспензии в промишлен мащаб.
 

Микроскопски снимки, показващи хода на ултразвуковото смилане на магентови пигменти на маслена основа

Примери: Мокро смилане на наночастици с помощта на мощен ултразвук

Ултразвуковото смилане е особено подходящо за обработка на материали с размери от порядъка на микрони и наноразмери, като керамика, трихидрат на алуминиевия оксид, бариев сулфат, калциев карбонат и метални оксиди. Таблиците по-долу показват микроскопски изображения на смилането на трихидрат на алуминиев оксид (от 150 микрона до 10 микрона), керамика (от 30 микрона до 2 микрона) и натриев карбонат (от 70 микрона до 3 микрона). Микроскопските изображения на тази страница ви показват хода на ултразвуковото смилане на примери като стоматологична керамика, магентови пигменти, натриев карбонат и хидратиран алуминиев оксид.
 

Микроскопски снимки, показващи хода на ултразвуковото смилане на натриев карбонат (Na₂CO₃) в изопропанол.

По-голяма производителност на всеки етап от обработката

Ултразвуковата енергия се подава директно в суспензията, където се осъществява намаляването на размера на частиците. Бързите кавитационни сили могат да съкратят циклите на смилане, докато ефективното преобразуване на електрическата енергия в механично движение може да намали енергопотреблението в сравнение с конвенционалното оборудване за смилане. Непрекъснатата линейна обработка допълнително спомага за висока производителност, постоянна качество и интеграция в съществуващите производствени линии.
За производителите, които се стремят към по-малки частици, по-тясно разпределение, по-чиста обработка и ефективно мащабиране, ултразвуковите апарати с сонда на Hielscher превръщат мокрото смилане в прецизно проектиран процес – от лабораторни изпитания до непрекъснато промишлено производство.

Непрекъсната работа за висока производителност

Ултразвуковите хомогенизатори са много лесни за инсталиране и експлоатация. Само две части влизат в контакт с материала, подлежащ на смилане: титановият сонотрод и поточната клетка от неръждаема стомана. Благодарение на опростената конструкция на ултразвуковата поточна клетка, устройствата могат да се почистват бързо. Тъй като ултразвуковите устройства на Hielscher се отличават с много висока ефективност при преобразуването на електрическа в механична енергия, обикновено за ултразвуковото смилане е необходима по-малко енергия, отколкото за конвенционалното смилане.

Промишлен ултразвуков апарат UIP6000hdT (6 kW) за едновременна дисперсия на пигменти и микробиологична стерилизация на бои и покрития на водна основа [/caption]Ефектът на раздробяване на частиците се основава на интензивна ултразвукова кавитация. При обработката на течности с ултразвук при висока интензивност звуковите вълни, които се разпространяват в течната среда, водят до редуващи се цикли на високо налягане (компресия) и ниско налягане (разреждане), като честотата на тези цикли зависи от честотата на ултразвука. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висока интензивност създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да абсорбират енергия, те се сриват бурно по време на цикъла на високо налягане. Това явление се нарича кавитация.
Имплозията на кавитационните мехурчета води до микротурбуленции и микроструи до 1000 км/ч. Големите частици са обект на повърхностна ерозия (чрез кавитационен колапс в околната течност) или намаляване на размера на частиците (поради делене чрез сблъсък между частиците или колапс на кавитационни мехурчета, образувани на повърхността). Това води до рязко ускоряване на дифузионните, масообменните процеси и твърдофазните реакции поради промяна на размера и структурата на кристалите.

Предлагат се ултразвукови процесори и проточни клетки за диспергиране и мокро смилане на прахове, както за лабораторни, така и за производствени нужди. Промишлените системи могат лесно да бъдат преоборудвани за работа в производствена линия. За научни изследвания и тестване на този процес, както и за много други сонохимични процеси, препоръчваме нашите лабораторни устройства или модела UIP1000hd.

Нанодиамантите могат да бъдат ефективни и надеждно диспергирани с помощта на ултразвукови уреди на Hielscher.

Литература / Препратки