Ultrazvukové mokré mletí: jemné částice, precizně vyrobené

Ultrazvukové zařízení Hielscher představuje účinné mlecí zařízení pro vysoce efektivní zmenšování velikosti částic, nanodisperzi a emulgaci prostřednictvím řízené ultrazvukové kavitace s vysokou intenzitou. Tyto systémy, navržené jak pro výzkumné, tak pro průmyslové účely, spolehlivě rozbíjejí aglomeráty, zjemňují prášky a vytvářejí homogenní suspenze v oblastech farmaceutického průmyslu, kosmetiky, nanomateriálů a speciálních chemikálií.

Od hrubého prášku po jednotné mikro- a nanočástice

Ultrazvukové zařízení typu sondy od společnosti Hielscher zajišťují výkonné a přesně regulovatelné mokré mletí a jemné drcení – bez kuliček, kuliček nebo jiných mlecích médií. Vytvářejte homogenní suspenze s vysokým obsahem pevných látek a úzkým rozložením velikosti částic, přičemž zkrátíte dobu zpracování a snížíte spotřebu energie.
Díky přesné regulaci amplitudy a pokročilému šíření akustických vln dosahují ultrazvukové mlýnky rovnoměrných výsledků s minimálním tepelným dopadem, čímž chrání citlivé sloučeniny a zároveň maximalizují průchodnost a reprodukovatelnost. Zjistěte, jak může ultrazvukové mletí zefektivnit váš pracovní postup při vývoji receptur a zvýšit výkonnost vašich produktů.

Pro koho je určeno ultrazvukové mokré mletí?

• Výrobci, kteří potřebují řízené zmenšování částic na velikost v řádu mikronů nebo nanometrů
• Výrobci pigmentů, tiskových barev, laků a vysoce výkonných nátěrových hmot
• Zařízení na zpracování keramiky, minerálů, cementu a oxidů kovů
• Vývojáři farmaceutických a kosmetických přípravků zabývající se vývojem jemných suspenzí
• Výrobci baterií, katalyzátorů a pokročilých materiálů
• Společnosti zabývající se zpracováním vysoce koncentrovaných nebo viskózních kalů
• Laboratoře zabývající se vývojem škálovatelných procesů pro zmenšování velikosti částic
• Výrobci, kteří usilují o úzké a rovnoměrné rozložení velikosti částic
• Provozní jednotky, které chtějí zabránit kontaminaci frézovacími kuličkami nebo kuličkami
• Výrobci, kteří se snaží zkrátit dobu mletí, snížit spotřebu energie a omezit nároky na čištění

Řízené zmenšování velikosti částic pomocí výkonného ultrazvuku

Zmenšení velikosti částic na úroveň mikronů či nanometrů může zásadně změnit složení přípravku. Jemnější částice mohou zlepšit reaktivitu, stabilitu, povrchovou plochu, optické vlastnosti a vlastnosti konečného produktu. Konvenční kulové, kuličkové a mediální mlýny však mohou do produktu vnášet částice vzniklé opotřebením, vyžadují pracné oddělování mlecích médií a mají potíže zajistit konzistentní zpracování při vysokých koncentracích pevných látek. Ultrazvukové mokré mletí nabízí čistou a kontrolovatelnou alternativu.
Sonicátory typu sondy od společnosti Hielscher přenášejí vysoce intenzivní ultrazvuk přímo do kapaliny nebo suspenze. Střídavé tlakové vlny vyvolávají akustickou kavitaci: mikroskopické bublinky se tvoří a kolabují s extrémní intenzitou, čímž vznikají vysokorychlostní proudy kapaliny, rázové vlny a silné smykové síly. Tyto síly urychlují částice v suspenzi tak, že se navzájem srážejí. Výsledné srážky částic, fragmentace a eroze povrchu vedou k rozrušení aglomerátů – a za dostatečně extrémních podmínek primární částice – až do mikro- a nanorozměrů.
 

Ultrazvukem mletý trihydrát oxidu hlinitého
AL(OH)₃ dodala společnost Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, USA. AL(OH)₃ je také známý jako trihydroxid hlinitý řady ATH, hydratovaný oxid hlinitý Bayer, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hydragyllit nebo gibbsit. Má tvrdost podle Mohse’ tvrdost 2,5 až 3,5.

Přesné, opakovatelné a rovnoměrné rozložení velikosti částic

Ultrazvukové mletí je vysoce přizpůsobitelné. Obsluha může regulovat amplitudu, příkon energie, tlak, teplotu, dobu zdržení a průtok tak, aby odpovídaly danému materiálu a požadované velikosti částic. Díky tomu je tento proces vhodný pro širokou škálu aplikací, od šetrného rozrušování shluků až po intenzivní jemné mletí. Konfigurace s recirkulací a s průtokovou komorou vystavují suspenzi rovnoměrně kavitační zóně, což zajišťuje reprodukovatelné výsledky a úzké, homogenní rozložení velikosti částic.
Tato úroveň kontroly je důležitá u pigmentů, tiskových barev, nátěrových hmot, keramiky, oxidů kovů, minerálů, katalyzátorů, léčiv a dalších pokročilých materiálů, u nichž mohou nadměrně velké částice nebo široké rozložení velikosti částic ohrozit kvalitu. Procesní parametry stanovené v laboratoři lze přenést do pilotní a průmyslové výroby, což umožňuje systematický vývoj a zvětšování výrobního měřítka.

Zpracování s vysokým obsahem pevných látek bez použití mlecích těles

Jelikož k rozdrcení částic dochází díky kavitaci a srážkám mezi samotnými částicemi, nejsou zapotřebí žádné kuličky, perličky ani mlecí kuličky. Vyloučení mlecích médií eliminuje potenciální zdroj kontaminace a odstraňuje nutnost jejich nákupu, čištění, výměny a oddělování od hotové suspenze. Jednoduchá geometrie v kontaktu s médiem rovněž usnadňuje čištění a výměnu produktu.
Ultrazvukové mlyny Hielscher dokážou zpracovávat vysoce koncentrované a viskózní suspenze. Vysoký obsah pevných látek znamená menší objem kapaliny, se kterou je třeba pracovat, a v mnoha případech i menší potřebu následné koncentrace nebo sušení. Může také posílit efekt mletí mezi částicemi zvýšením frekvence srážek částic. Díky této kombinaci je ultrazvukové mletí obzvláště atraktivní pro koncentrované masterbatche a suspenze v průmyslovém měřítku.
 

Mikroskopické snímky zachycující průběh ultrazvukového mletí magentových pigmentů na olejové bázi

Příklady: Mokré mletí nanočástic pomocí výkonného ultrazvuku

Ultrazvukové mletí je obzvláště vhodné pro zpracování materiálů v mikrometrovém a nanometrovém měřítku, jako jsou keramika, trihydrát oxidu hlinitého, síran barnatý, uhličitan vápenatý a oxidy kovů. Níže uvedené tabulky zobrazují mikroskopické snímky mletí trihydrátu oxidu hlinitého (z 150 mikronů na 10 mikronů), keramiky (z 30 mikronů na 2 mikrony) a uhličitanu sodného (z 70 mikronů na 3 mikrony). Mikroskopické snímky na této stránce vám ukazují průběh ultrazvukového mletí na příkladech dentální keramiky, magenta pigmentů, uhličitanu sodného a hydratovaného oxidu hlinitého.
 

Snímky z mikroskopu zachycující průběh ultrazvukového mletí uhličitanu sodného (Na₂CO₃) v isopropanolu.

Vyšší výstup z každého kroku zpracování

Ultrazvuková energie je přiváděna přímo do suspenze, kde dochází ke zmenšení velikosti částic. Rychlé kavitační síly mohou zkrátit cykly mletí, zatímco účinná přeměna elektrické energie na mechanický pohyb může snížit energetickou náročnost ve srovnání s konvenčními mlecími zařízeními. Kontinuální zpracování v rámci výrobní linky dále přispívá k vysoké průchodnosti, stálé kvalitě a integraci do stávajících výrobních linek.
Pro výrobce, kteří usilují o menší částice, užší rozložení velikosti, čistší zpracování a efektivní škálování, proměňují sondové ultrazvukové zařízení Hielscher mokré mletí v precizně navržený proces – od laboratorních zkoušek až po nepřetržitou průmyslovou výrobu.

Nepřetržitý provoz pro vysokou propustnost

Ultrazvukové homogenizátory se velmi snadno instalují a obsluhují. S mletým materiálem přicházejí do styku pouze dvě součásti: titanová sonotroda a průtoková komora z nerezové oceli. Díky jednoduché konstrukci ultrazvukové průtokové komory lze zařízení rychle vyčistit. Jelikož ultrazvuková zařízení společnosti Hielscher vykazují velmi vysokou účinnost při přeměně elektrické energie na mechanickou, je pro ultrazvukové mletí obecně zapotřebí méně energie než u konvenčních mlecích zařízení.

Průmyslový ultrazvukový přístroj UIP6000hdT (6 kW) pro souběžnou disperzi pigmentů a mikrobiální sterilizaci vodou ředitelných nátěrových hmot a povlakových směsí [/caption]Účinek rozemílání částic je založen na intenzivní ultrazvukové kavitaci. Při sonikaci kapalin s vysokou intenzitou vedou zvukové vlny šířící se v kapalném médiu ke střídání cyklů vysokého tlaku (komprese) a nízkého tlaku (zředění), přičemž frekvence těchto cyklů závisí na frekvenci ultrazvuku. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí vysoce intenzivní ultrazvukové vlny v kapalině malé vakuové bubliny nebo dutiny. Jakmile bubliny dosáhnou objemu, při kterém již nemohou absorbovat energii, prudce se během vysokotlakého cyklu zhroutí. Tento jev se nazývá kavitace.
Imploze kavitačních bublin má za následek mikroturbulence a mikrotrysky o rychlosti až 1000 km/h. Velké částice podléhají povrchové erozi (prostřednictvím kolapsu kavitace v okolní kapalině) nebo zmenšení velikosti částic (v důsledku štěpení srážkou mezi částicemi nebo kolapsem kavitačních bublin vytvořených na povrchu). To vede k prudkému zrychlení difúze, procesů přenosu hmoty a reakcí na pevné fázi v důsledku změny velikosti a struktury krystalitů.

Ultrazvukové procesory a průtokové komory pro dispergaci a mokré mletí prášků jsou k dispozici pro laboratorní i výrobní použití. Průmyslová zařízení lze snadno dovybavit pro provoz v rámci výrobní linky. Pro výzkum a testování tohoto procesu, stejně jako pro řadu dalších sonochemických procesů, doporučujeme naše laboratorní přístroje nebo model UIP1000hd.

Nanodiamanty mohou být účinné a spolehlivě dispergované pomocí Hielscher ultrasonicators.

Literatura / Reference