Ultrazvučno mokro mljevenje: fine čestice, precizno projektirane

Hielscher sonikatori su efikasna oprema za mljevenje za visokoefikasno smanjenje veličine čestica, nanodisperziju i emulgiranje putem kontrolirane, visokointenzivne ultrazvučne kavitacije. Projektirani za istraživačke i industrijske razmjere, ovi sistemi pouzdano razbijaju aglomerate, usitnjavaju praškove i stvaraju homogene suspenzije u farmaceutskoj industriji, kozmetici, nanomaterijalima i specijalnim kemikalijama.

Od grubog praha do ujednačenih mikro- i nanočestica

Hielscher sonikatori sondnog tipa pružaju snažno, precizno kontrolirano mokro mljevenje i fino usitnjavanje – bez perli, kuglica ili drugih medija za mljevenje. Proizvedite homogene suspenzije (slurry) s visokim udjelom čvrstih tvari i uskom raspodjelom veličine čestica, uz kraće vrijeme obrade i manju potrošnju energije.
Zahvaljujući preciznoj kontroli amplitude i naprednom širenju akustičnih valova, sonikatori postižu ujednačene rezultate uz minimalan toplinski utjecaj, čuvajući osjetljive spojeve uz maksimalan protok i reproducibilnost. Saznajte kako ultrazvučno mljevenje može pojednostaviti vaš tok rada pri formulaciji i podići performanse proizvoda.

Ko bi trebao koristiti ultrazvučno mokro mljevenje?

• Proizvođači kojima je potrebno kontrolirano smanjenje čestica na mikronsku ili nanometarsku veličinu
• Proizvođači pigmenata, mastila, boja i visokoučinkovitih premaza
• Prerađivači keramike, minerala, cementa i metalnih oksida
• Farmaceutski i kozmetički formulatori koji razvijaju fine suspenzije
• Proizvođači baterija, katalizatora i naprednih materijala
• Kompanije koje prerađuju visokokoncentrirane ili viskozne suspenzije (slurry)
• Laboratorije koje razvijaju skalabilne procese smanjenja veličine čestica
• Proizvođači koji žele usku, ujednačenu raspodjelu veličine čestica
• Pogoni koji žele izbjeći kontaminaciju perlama ili kuglicama za mljevenje
• Proizvođači koji žele skratiti vrijeme mljevenja, smanjiti potrošnju energije i zahtjeve za čišćenjem

Kontrolirano smanjenje veličine čestica snažnim ultrazvukom

Smanjenje čestica na mikronski ili nanometarski raspon može transformirati formulaciju. Finije čestice mogu poboljšati reaktivnost, stabilnost, površinu, optička svojstva i performanse konačnog proizvoda. Ipak, konvencionalni mlinovi s kuglicama, perlama i drugim medijima mogu unijeti čestice habanja, zahtijevati mukotrpno odvajanje medija i teško osiguravaju dosljednu obradu pri visokim koncentracijama čvrstih tvari. Ultrazvučno mokro mljevenje nudi čistu, kontroliranu alternativu.
Hielscher sonikatori sondnog tipa prenose ultrazvuk visokog intenziteta direktno u tekućinu ili suspenziju (slurry). Naizmjenični valovi pritiska stvaraju akustičnu kavitaciju: mikroskopski mjehurići nastaju i kolabiraju ekstremnim intenzitetom, stvarajući brze tekuće mlazove, udarne valove i snažne smične sile. Te sile ubrzavaju suspendirane čestice jednu prema drugoj. Nastali sudari među česticama, fragmentacija i erozija površine smanjuju aglomerate – a pod dovoljno intenzivnim uvjetima i primarne čestice – na mikro- i nanoveličinu.

Ultrazvučno samljeveni aluminij-trihidrat
AL(OH)3 isporučila je kompanija Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, SAD. AL(OH)3 poznat je i kao aluminij-trihidroksid serije ATH, Bayer hidratizirani aluminij-oksid, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hidrargilit ili gibsit. Ima Mohsovu tvrdoću od 2,5 do 3,5.

Precizna, ponovljiva i ujednačena raspodjela veličine čestica

Ultrazvučno mljevenje je vrlo podesivo. Operateri mogu kontrolirati amplitudu, unos energije, pritisak, temperaturu, vrijeme zadržavanja i protok kako bi ih prilagodili materijalu i ciljnoj veličini čestica. Zahvaljujući tome proces je prikladan za sve, od blage deaglomeracije do intenzivnog finog usitnjavanja. Recirkulacija i inline konfiguracije s protočnom ćelijom ravnomjerno izlažu suspenziju (slurry) zoni kavitacije, što podržava reproducibilne rezultate i usku, homogenu raspodjelu veličine čestica.
Ovaj nivo kontrole vrijedan je za pigmente, mastila, premaze, keramiku, metalne okside, minerale, katalizatore, farmaceutske proizvode i druge napredne materijale kod kojih prevelike čestice ili široka raspodjela mogu ugroziti kvalitet. Procesni parametri utvrđeni u laboratoriji mogu se prenijeti na pilot-proizvodnju i industrijsku proizvodnju, što omogućava sistematičan razvoj i povećanje razmjera.

Obrada s visokim udjelom čvrstih tvari bez medija za mljevenje

Budući da smanjenje čestica pokreću kavitacija i sudari samih čestica međusobno, nisu potrebne perle, kuglice ni kuglice za usitnjavanje. Izostavljanje medija za mljevenje uklanja potencijalni izvor kontaminacije i otklanja potrebu za nabavkom, čišćenjem, zamjenom i odvajanjem medija od gotove suspenzije (slurry). Jednostavna geometrija u kontaktu s proizvodom također olakšava čišćenje i promjenu proizvoda.
Hielscher sonikatori mogu obrađivati visokokoncentrirane i viskozne suspenzije (slurry). Visok udio čvrstih tvari znači manje tekućine za rukovanje i, u mnogim slučajevima, manje naknadnog koncentriranja ili sušenja. Također može pojačati učinak mljevenja među česticama povećanjem učestalosti sudara čestica. Ova kombinacija čini ultrazvučno mljevenje posebno privlačnim za koncentrirane masterbatcheve i suspenzije u proizvodnom mjerilu.

Mikroskopske slike prikazuju napredak ultrazvučnog mljevenja pigmenata magenta na uljnoj bazi

Primjeri: mokro mljevenje nanočestica snažnim ultrazvukom

Ultrazvučno mljevenje posebno je pogodno za obradu materijala mikronske i nanoveličine, kao što su keramika, aluminij-trihidrat, barijev sulfat, kalcijev karbonat i metalni oksidi. Tabele ispod prikazuju mikroskopske snimke mljevenja aluminij-trihidrata (sa 150 mikrona na 10 mikrona), keramike (sa 30 mikrona na 2 mikrona) i natrijevog karbonata (sa 70 mikrona na 3 mikrona). Mikroskopske snimke na ovoj stranici prikazuju napredak ultrazvučnog mljevenja na primjerima dentalne keramike, pigmenata magenta, natrijevog karbonata i hidratiziranog aluminij-oksida.

Mikroskopske slike prikazuju napredak ultrazvučnog mljevenja natrijevog karbonata (Na2CO3) u izopropanolu.

Više učinka iz svakog koraka obrade

Ultrazvučna energija isporučuje se direktno u suspenziju (slurry), gdje dolazi do smanjenja veličine čestica. Brze kavitacijske sile mogu skratiti cikluse mljevenja, dok efikasna pretvorba električne energije u mehaničko kretanje može smanjiti potrebu za energijom u poređenju s konvencionalnom opremom za mljevenje. Kontinuirana inline obrada dodatno podržava visok protok, dosljedan kvalitet i integraciju u postojeće proizvodne linije.
Za proizvođače koji traže manje čestice, uže raspodjele, čišću obradu i efikasno povećanje razmjera, Hielscher sonikatori sondnog tipa pretvaraju mokro mljevenje u precizno projektiran proces – od laboratorijskih ispitivanja do kontinuirane industrijske proizvodnje.

Kontinuirani rad za visok protok

Ultrazvučni homogenizatori vrlo su jednostavni za ugradnju i upotrebu. Samo dva dijela dolaze u kontakt s materijalom koji se melje: titanska sonotroda i protočna ćelija od nehrđajućeg čelika. Zbog jednostavne konstrukcije ultrazvučne protočne ćelije, uređaji se mogu brzo očistiti. Budući da Hielscher ultrazvučni uređaji imaju vrlo visoku efikasnost pretvorbe električne u mehaničku energiju, za ultrazvučno mljevenje općenito je potrebno manje snage nego za konvencionalnu opremu za mljevenje.

Industrijski sonikator UIP6000hdT (6kW) za istovremenu disperziju pigmenata i mikrobiološku sterilizaciju vodenih formulacija boja i premaza Učinak mljevenja čestica zasniva se na intenzivnoj ultrazvučnoj kavitaciji. Pri sonikaciji tekućina visokim intenzitetima, zvučni valovi koji se šire kroz tekući medij uzrokuju naizmjenične cikluse visokog pritiska (kompresije) i niskog pritiska (razrjeđenja), čija učestalost ovisi o frekvenciji. Tokom ciklusa niskog pritiska, ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dostignu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, silovito kolabiraju tokom ciklusa visokog pritiska. Taj se fenomen naziva kavitacija.
Implozija kavitacijskih mjehurića rezultira mikroturbulencijama i mikromlazovima brzine do 1000 km/h. Velike čestice podliježu eroziji površine (putem kolapsa kavitacije u okolnoj tekućini) ili smanjenju veličine čestica (zbog cijepanja uslijed sudara među česticama ili kolapsa kavitacijskih mjehurića nastalih na površini). To dovodi do snažnog ubrzanja difuzije, procesa prijenosa mase i reakcija u čvrstoj fazi zbog promjene veličine i strukture kristalita.

Ultrazvučni procesori i protočne ćelije za disperziju i mokro mljevenje praškova dostupni su za laboratorijski i proizvodni nivo. Industrijski sistemi mogu se lako naknadno prilagoditi za inline rad. Za istraživanje i testiranje ovog procesa, kao i za mnoge sonohemijske procese, preporučujemo naše laboratorijske uređaje ili UIP1000hd.

Nanodijamanti se mogu efikasno i pouzdano dispergirati pomoću Hielscher ultrazvučnih uređaja.

Literatura / reference

• 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.