Ултразвуково мокро смилане: фини частици, получени чрез прецизно проектиран процес

Ултразвуковите апарати Hielscher са ефективно оборудване за смилане, предназначено за високоефективно намаляване на размера на частиците, нанодиспергиране и емулгиране чрез контролирана ултразвукова кавитация с висок интензитет. Проектирани както за научни изследвания, така и за промишлен мащаб, тези системи надеждно разрушават агломератите, фино смилат праховете и създават хомогенни суспензии във фармацевтиката, козметиката, наноматериалите и специализираните химикали.

От едър прах до еднородни микро- и наночастици

Сондовите ултразвукови апарати Hielscher осигуряват мощно, прецизно контролируемо мокро смилане и фино смилане – без микросфери, топки или други смилащи тела. Получавайте хомогенни суспензии с високо съдържание на твърда фаза и тясно разпределение на частиците по размер, като същевременно съкращавате времето за обработка и намалявате потребността от енергия.
Благодарение на прецизния контрол на амплитудата и усъвършенстваното разпространение на акустичните вълни ултразвуковите апарати постигат еднородни резултати с минимално топлинно въздействие, запазват чувствителните съединения и същевременно увеличават максимално производителността и възпроизводимостта. Открийте как ултразвуковото смилане може да оптимизира работния процес при разработването на вашите формулации и да подобри характеристиките на продукта.

Кой трябва да използва ултразвуково мокро смилане?

• Производители, които се нуждаят от контролирано намаляване на размера на частиците до микрометрови или нанометрови размери
• Производители на пигменти, мастила, бои и високоефективни покрития
• Предприятия за преработка на керамика, минерали, цимент и метални оксиди
• Разработчици на фармацевтични и козметични формулации, които създават фини суспензии
• Производители на батерии, катализатори и усъвършенствани материали
• Компании, които обработват силно концентрирани или вискозни суспензии
• Лаборатории, които разработват мащабируеми процеси за намаляване на размера на частиците
• Производители, които търсят тясно, еднородно разпределение на частиците по размер
• Предприятия, които искат да избегнат замърсяване от смилащи микросфери или топки
• Производители, които целят да намалят времето за смилане, потреблението на енергия и необходимостта от почистване

Контролирано намаляване на размера на частиците с мощен ултразвук

Намаляването на размера на частиците до микрометровия или нанометровия диапазон може да преобрази една формулация. По-фините частици могат да подобрят реактивоспособността, стабилността, повърхностната площ, оптичните свойства и характеристиките на крайния продукт. Конвенционалните топкови мелници, мелници с микросфери и други мелници със смилащи тела обаче могат да внесат частици от износване, да изискват трудоемко отделяне на смилащите тела и да срещат затруднения при осигуряването на равномерна обработка при високи концентрации на твърда фаза. Ултразвуковото мокро смилане предлага чиста, контролируема алтернатива.
Сондовите ултразвукови апарати Hielscher предават ултразвук с висок интензитет директно в течност или суспензия. Редуващите се вълни на налягане създават акустична кавитация: образуват се микроскопични мехурчета, които колапсират с изключителен интензитет, генерирайки високоскоростни течни струи, ударни вълни и мощни сили на срязване. Тези сили ускоряват суспендираните частици една към друга. Получените сблъсъци между частиците, фрагментация и повърхностна ерозия намаляват размера на агломератите – а при достатъчно интензивни условия и на първичните частици – до микро- и наноразмери.
 

Трихидрат на алуминиевия оксид, смлян с ултразвук
AL(OH)3 е доставен от Alcoa World Alumina LLC, Питсбърг, Пенсилвания, САЩ. AL(OH)3 е известен също като алуминиев трихидроксид от серията ATH, хидратиран алуминиев оксид по Байер, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, хидраргилит или гибсит. Твърдостта му по скалата на Моос е от 2,5 до 3,5.

Прецизно, повторяемо и еднородно разпределение на частиците по размер

Ултразвуковото смилане позволява широки възможности за настройка. Операторите могат да контролират амплитудата, вложената енергия, налягането, температурата, времето на престой и дебита, за да ги съобразят с материала и целевия размер на частиците. Това прави процеса подходящ за всичко – от щадяща деагломерация до интензивно фино смилане. Рециркулацията и конфигурациите с проточни клетки в технологичната линия излагат суспензията равномерно на кавитационната зона, като подпомагат постигането на възпроизводими резултати и тясно, хомогенно разпределение на частиците по размер.
Това ниво на контрол е ценно за пигменти, мастила, покрития, керамика, метални оксиди, минерали, катализатори, фармацевтични продукти и други усъвършенствани материали, при които прекалено едрите частици или широкото разпределение могат да влошат качеството. Параметрите на процеса, установени в лабораторията, могат да бъдат пренесени към пилотно и промишлено производство, което позволява систематично разработване и увеличаване на мащаба.

Обработка при високо съдържание на твърда фаза без смилащи тела

Тъй като намаляването на размера на частиците се осъществява чрез кавитация и сблъсъци между самите частици, не са необходими микросфери, перли или смилащи топки. Премахването на смилащите тела избягва потенциален източник на замърсяване и премахва необходимостта от закупуване, почистване, подмяна и отделяне на тези тела от готовата суспензия. Простата геометрия на частите в контакт с течността също улеснява почистването и преминаването към друг продукт.
Ултразвуковите апарати Hielscher могат да обработват силно концентрирани и вискозни суспензии. Високото съдържание на твърда фаза означава по-малко течност за обработка и в много случаи по-малка необходимост от последващо концентриране или сушене. То може също да засили ефекта на смилане чрез взаимодействие между частиците, като увеличи честотата на сблъсъците им. Тази комбинация прави ултразвуковото смилане особено привлекателно за концентрирани мастербачи и суспензии в производствен мащаб.
 

Микроскопски изображения, показващи хода на ултразвуковото смилане на пигменти с цвят магента на маслена основа

Примери: мокро смилане на наночастици с мощен ултразвук

Ултразвуковото смилане е особено подходящо за обработка на материали с микрометрови и нанометрови размери, като керамика, трихидрат на алуминиевия оксид, бариев сулфат, калциев карбонат и метални оксиди. Таблиците по-долу показват микроскопски изображения на смилането на трихидрат на алуминиевия оксид (от 150 микрометра до 10 микрометра), керамика (от 30 микрометра до 2 микрометра) и натриев карбонат (от 70 микрометра до 3 микрометра). Микроскопските изображения на тази страница ви показват хода на ултразвуковото смилане чрез примерите с дентална керамика, пигменти с цвят магента, натриев карбонат и хидратиран алуминиев оксид.
 

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

Повече продукция от всяка стъпка на обработката

Ултразвуковата енергия се предава директно в суспензията, където се извършва намаляването на размера на частиците. Бързодействащите кавитационни сили могат да съкратят циклите на смилане, а ефективното преобразуване на електрическата енергия в механично движение може да намали потребността от енергия в сравнение с конвенционалното оборудване за смилане. Непрекъснатата обработка в технологичната линия допълнително подпомага високата производителност, постоянното качество и интегрирането в съществуващите производствени линии.
За производителите, които търсят по-малки частици, по-тесни разпределения, по-чиста обработка и ефективно увеличаване на мащаба, сондовите ултразвукови апарати Hielscher превръщат мокрото смилане в прецизно проектиран процес – от лабораторни изпитвания до непрекъснато промишлено производство.

Непрекъсната работа за висока производителност

Ултразвуковите хомогенизатори са много лесни за инсталиране и работа. Само две части са в контакт с материала за смилане: титановият сонотрод и проточната клетка от неръждаема стомана. Благодарение на простата конструкция на ултразвуковата проточна клетка устройствата могат да се почистват бързо. Тъй като ултразвуковите устройства Hielscher имат много висока ефективност при преобразуването на електрическата енергия в механична, за ултразвуковото смилане обикновено е необходима по-малка мощност, отколкото за конвенционалното оборудване за смилане.

Промишлен ултразвуков апарат UIP6000hdT (6kW) за едновременно диспергиране на пигменти и микробна стерилизация на формулации на бои и покрития на водна основа Ефектът на смилане на частиците се основава на интензивна ултразвукова кавитация. При ултразвукова обработка на течности с висок интензитет звуковите вълни, които се разпространяват в течната среда, предизвикват редуващи се цикли на високо налягане (свиване) и ниско налягане (разреждане), със скорост на редуване, зависеща от честотата. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висок интензитет създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да поглъщат енергия, те колапсират бурно по време на цикъл на високо налягане. Това явление се нарича кавитация.
Имплозията на кавитационните мехурчета води до микротурбуленции и микроструи със скорост до 1000km/hr. Големите частици са подложени на повърхностна ерозия (чрез кавитационен колапс в околната течност) или на намаляване на размера (поради раздробяване при сблъсъци между частиците или колапс на кавитационни мехурчета, образувани на повърхността). Това води до рязко ускоряване на дифузията, процесите на масопренос и реакциите в твърда фаза поради промяна на размера и структурата на кристалитите.

Предлагат се ултразвукови процесори и проточни клетки за диспергиране и мокро смилане на прахове както за лабораторен, така и за производствен мащаб. Промишлените системи могат лесно да бъдат преоборудвани за работа в технологичната линия. За изследване и изпитване на този процес, както и за много сонохимични процеси, препоръчваме нашите лабораторни устройства или UIP1000hd.

Нанодиамантите могат да бъдат ефективно и надеждно диспергирани с ултразвуковите апарати Hielscher.

Литература / Източници

• 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.