Ultralydsvådformaling: Fine partikler, præcist fremstillet
Hielscher-sonikatorer er effektive formalinganlæg til højeffektiv partikelstørrelsesreduktion, nanodispersion og emulgering gennem kontrolleret ultralydskavitation med høj intensitet. Disse systemer er udviklet til både forsknings- og industriel skala og nedbryder pålideligt agglomerater, forfiner pulvere og skaber homogene suspensioner inden for lægemidler, kosmetik, nanomaterialer og specialkemikalier.
Fra groft pulver til ensartede mikro- og nanopartikler
Hielschers ultralydsapparater af sondetypen sikrer kraftfuld og præcist regulerbar vådformaling og finmaling – uden perler, kugler eller andre slibemidler. Fremstil homogene opslæmninger med højt faststofindhold og en snæver partikelstørrelsesfordeling, samtidig med at forarbejdningstiden forkortes og energiforbruget reduceres.
Ved at udnytte præcis amplitudestyring og avanceret udbredelse af akustiske bølger opnår sonikatorerne ensartede resultater med minimal termisk påvirkning, hvilket bevarer følsomme forbindelser og samtidig maksimerer kapaciteten og reproducerbarheden. Find ud af, hvordan ultralydsformaling kan strømline din formuleringsproces og forbedre produktets ydeevne.
Hvem bør anvende ultralydsvådformaling?
- Producenter, der har behov for kontrolleret reduktion af partikler til mikron- eller nanometerstørrelse
- Producenter af pigmenter, trykfarver, maling og højtydende overfladebehandlingsmidler
- Processorer til keramik, mineraler, cement og metaloxider
- Formuleringsspecialister inden for lægemidler og kosmetik, der udvikler fine suspensioner
- Producenter af batterier, katalysatorer og avancerede materialer
- Virksomheder, der forarbejder stærkt koncentrerede eller tyktflydende opslæmninger
- Laboratorier, der udvikler skalerbare processer til reduktion af partikelstørrelse
- Producenter, der søger en smal, ensartet partikelstørrelsesfordeling
- Processer, hvor man ønsker at undgå forurening fra slibekugler eller -perler
- Producenter, der ønsker at reducere formalingstiden, energiforbruget og rengøringsbehovet
Fortæl os om dit materiale, faststofindholdet og den ønskede partikelstørrelse. Vores team af ultralydseksperter vil anbefale dig et ultralydsanlæg, der sikrer en bedre partikelfinmaling.
Industriel sonikator på 16.000 watt, model UIP16000hdT til vådformaling af pigmenter og nanopartikler
Kontrolleret reduktion af partikelstørrelse ved hjælp af kraftig ultralyd
At reducere partiklerne til mikron- eller nanometerområdet kan forvandle en formulering. Finere partikler kan forbedre reaktiviteten, stabiliteten, overfladearealet, de optiske egenskaber og slutproduktets ydeevne. Imidlertid kan konventionelle kugle-, perle- og mediemøller medføre slidpartikler, kræve en besværlig adskillelse af medierne og have svært ved at sikre en ensartet behandling ved høje faststofkoncentrationer. Ultralydsvådformaling tilbyder et rent og kontrollerbart alternativ.
Hielschers ultralydsenheder af sondetypen overfører højintensivt ultralyd direkte ind i en væske eller en opslæmning. De vekslende trykbølger skaber akustisk kavitation: mikroskopiske bobler dannes og kollapser med ekstrem intensitet, hvilket genererer højhastighedsstråler af væske, chokbølger og kraftige forskydningskræfter. Disse kræfter får de suspenderede partikler til at støde sammen. De deraf følgende kollisioner mellem partiklerne, fragmentering og overfladeerosion reducerer agglomeraterne – og, under tilstrækkeligt ekstreme forhold, primærpartikler – til mikro- og nanostørrelse.
Ultralydsformalet aluminiumoxidtrihydrat
AL(OH)₃ blev leveret af Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, USA. AL(OH)₃ er også kendt som aluminiumtrihydroxid ATH-serien, Bayer Hydrated Alumina, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, Hydragyllite eller Gibbsite. Det har en Mohs-hårdhed’ hårdhed på 2,5 til 3,5.
Ultralydsgennemstrømningsreaktorer til industriel inline-produktion af nanopartikelopslæmninger.
Præcis, repeterbar og ensartet partikelstørrelsesfordeling
Ultralydsformaling er yderst fleksibel. Operatørerne kan regulere amplituden, energitilførslen, trykket, temperaturen, opholdstiden og gennemstrømningshastigheden, så de passer til materialet og den ønskede partikelstørrelse. Dette gør processen velegnet til alt fra skånsom deagglomerering til intensiv finformaling. Konfigurationer med recirkulation og inline-flowceller udsætter opslæmningen ensartet for kavitationszonen, hvilket sikrer reproducerbare resultater og en snæver, homogen partikelstørrelsesfordeling.
Dette kontrolniveau er af stor betydning for pigmenter, trykfarver, belægninger, keramiske materialer, metaloxider, mineraler, katalysatorer, lægemidler og andre avancerede materialer, hvor for store partikler eller en bred partikelfordeling kan forringe kvaliteten. Procesparametre, der er fastlagt i laboratoriet, kan overføres til pilot- og industriel produktion, hvilket muliggør systematisk udvikling og opskalering.
Forarbejdning med højt faststofindhold uden slibemidler
Da partikelreduktionen sker gennem kavitation og kollisioner mellem selve partiklerne, er der ikke behov for kugler, perler eller slibekugler. Ved at undgå anvendelse af slibemidler fjernes en potentiel forureningskilde, og man slipper for at skulle købe, rengøre, udskifte og adskille slibemidlerne fra den færdige opslæmning. Den enkle geometri, der kommer i kontakt med væsken, letter desuden rengøringen og produktomstillingen.
Hielschers ultralydsapparater kan behandle højkoncentrerede og tyktflydende opslæmninger. Et højt faststofindhold betyder, at der skal håndteres mindre væske, og i mange tilfælde kræves der mindre koncentrering eller tørring i de efterfølgende processtrin. Det kan også styrke formalingseffekten mellem partiklerne ved at øge hyppigheden af partikelsammenstød. Denne kombination gør ultralydsformaling særligt attraktiv til koncentrerede masterbatches og suspensioner i produktionsskala.
Mikroskopbilleder, der viser forløbet af ultralydsformaling af oliebaserede magenta-pigmenter
Eksempler: Vådformaling af nanopartikler ved hjælp af kraftig ultralyd
Ultralydsformaling er særligt velegnet til forarbejdning af materialer i mikron- og nanostørrelse, såsom keramik, aluminiumoxidtrihydrat, bariumsulfat, calciumcarbonat og metaloxider. Tabellerne nedenfor viser mikroskopiske billeder af formaling af aluminiumoxidtrihydrat (fra 150 mikron ned til 10 mikron), keramik (fra 30 mikron ned til 2 mikron) og natriumkarbonat (fra 70 mikron ned til 3 mikron). Mikroskopbillederne på denne side viser forløbet af ultralydsformaling ved hjælp af eksempler på tandkeramik, magenta-pigmenter, natriumkarbonat og hydreret aluminiumoxid.
Mikroskopbilleder, der viser forløbet af ultralydsformaling af natriumkarbonat (Na₂CO₃) i isopropanol.
Sonikeret kridtmaling på slibeometeret demonstrerer den perfekt ensartede deagglomerering og partikelstørrelsesfordeling af pigmenterne
Ultralydsdispersion sikrer en effektiv reduktion af partikelstørrelse og ensartet fordeling af carbon black-pigmenter i UV-blæk.
Større udbytte fra hvert trin i forarbejdningen
Ultralydsenergi tilføres direkte til opslæmningen, hvor partiklerne findeles. Hurtige kavitationskræfter kan forkorte formalingcyklusserne, mens den effektive omdannelse af elektrisk energi til mekanisk bevægelse kan reducere energiforbruget sammenlignet med konventionelt formalingsudstyr. Kontinuerlig inline-forarbejdning bidrager yderligere til høj gennemstrømning, ensartet kvalitet og integration i eksisterende produktionslinjer.
For producenter, der søger mindre partikler, snævrere partikelfordelinger, renere forarbejdning og effektiv opskalering, gør Hielschers sondebaserede ultralydsapparater vådformaling til en præcist udviklet proces – fra laboratorieforsøg til kontinuerlig industriel produktion.
Kontinuerlig drift med høj kapacitet
Ultralydshomogenisatorer er meget nemme at installere og betjene. Der er kun to dele, der kommer i kontakt med det materiale, der skal formales: titan-sonotroden og gennemstrømningscellen i rustfrit stål. Takket være den enkle konstruktion af ultralydsgennemstrømningscellen kan enhederne rengøres hurtigt. Da Hielschers ultralydsenheder har en meget høj effektivitet i omdannelsen af elektrisk til mekanisk energi, kræves der generelt mindre effekt til ultralydsformaling end til konventionelt formalingsudstyr.
Industriel ultralydsapparat UIP6000hdT (6 kW) til samtidig pigmentdispersion og mikrobiel sterilisering af vandbaserede malings- og belægningsformuleringer [/caption]Partikelforfiningseffekten er baseret på intens ultralydskavitation. Når væsker sonikeres ved høje intensiteter, resulterer lydbølgerne, der udbreder sig i det flydende medium, i skiftende cyklusser med højt tryk (kompression) og lavt tryk (fortynding), hvor frekvensen afhænger af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber højintensitets-ultralydsbølger små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne når et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes kavitation.
Implosionen af kavitationsboblerne resulterer i mikroturbulenser og mikrostråler på op til 1000 km/t. Store partikler udsættes for overfladeerosion (via kavitationskollaps i den omgivende væske) eller reduktion af partikelstørrelse (på grund af fission gennem interpartikelkollision eller kollaps af kavitationsbobler dannet på overfladen). Dette fører til skarp acceleration af diffusion, masseoverførselsprocesser og fastfasereaktioner på grund af krystallitstørrelse og strukturændring.
Der findes ultralydsprocessorer og gennemstrømningsceller til dispergering og vådformaling af pulvere til både laboratorie- og produktionsbrug. De industrielle anlæg kan nemt eftermonteres, så de kan fungere inline. Til forskning og afprøvning af denne proces samt til mange sonokemiske processer anbefaler vi vores laboratorieapparater eller UIP1000hd.
Nanodiamanter kan være effektive og pålideligt spredt ved hjælp af Hielscher ultralydapparater.
Ofte stillede spørgsmål om ultralydsvådformaling
Hvad er ultralydsvådformaling?
Ultralydsvådformaling er en proces til reduktion af partikelstørrelse, hvor der anvendes højintensiv ultralyd på en flydende opslæmning. Akustisk kavitation genererer intense forskydningskræfter, chokbølger og kollisioner mellem partiklerne, som nedbryder agglomerater og reducerer de faste partikler til mikron- eller nanometerstørrelse.
Hvordan reducerer en ultralydsapparat af sondetypen partikelstørrelsen?
Ultralydssonden, også kaldet sonotroden, overfører højintensivt ultralyd direkte ind i opslæmningen. Der dannes og kollapser kavitationsbobler, hvilket skaber væskestråler med høj hastighed, der får partiklerne til at støde sammen. Disse kollisioner medfører fragmentering af partiklerne, overfladeerosion og effektiv deagglomerering.
Kan ultralydsvådformaling frembringe nanopartikler?
Ja. Hielschers ultralydsapparater af sondetypen kan anvendes til kontrolleret mikronisering og fremstilling af nanopartikler. Den opnåelige partikelstørrelse afhænger af materialet, den oprindelige partikelstørrelse, opslæmningens sammensætning, faststofkoncentrationen, behandlingsintensiteten, temperaturen, trykket og sonikeringstiden.
Hvilke materialer kan bearbejdes ved hjælp af ultralydsformaling?
Ultralydsvådformaling er velegnet til pigmenter, trykfarver, keramiske materialer, metaloxider, mineraler, cement, katalysatorer, batterimaterialer, lægemidler, kosmetik og avancerede nanomaterialer. Metoden kan anvendes til partikler, der er suspenderet i vand, opløsningsmidler, olier, harpikser og andre kompatible flydende medier.
Kræver ultralydsformaling slibekugler eller -perler?
Nej. Ultralydsbaseret partikelformaling kræver ikke traditionelle formalingmedier. Formalingseffekten opnås gennem partikelsammenstød forårsaget af kavitation. Ved at undgå brug af perler og kugler mindskes risikoen for forurening fra formalingmedierne, og behovet for adskillelse, rengøring, udskiftning og bortskaffelse af disse bortfalder.
Kan Hielscher-ultralydsapparater behandle slurrier med højt faststofindhold?
Ja. Hielschers ultralydsprocessorer kan håndtere stærkt koncentrerede og tyktflydende suspensioner. Et højt indhold af faste stoffer reducerer den væskemængde, der skal behandles, og kan øge antallet af kollisioner mellem partiklerne, hvilket gør ultralydsformaling til en attraktiv løsning til koncentrerede opslæmninger og produktion af masterbatch.
Giver ultralydsformaling en smal partikelstørrelsesfordeling?
En ensartet eksponering for ultralydskavitationszonen sikrer en snæver og homogen partikelstørrelsesfordeling. Recirkulation og kontinuerlig inline-behandling bidrager til at sikre en ensartet behandling af hele opslæmningen, samtidig med at antallet af partikler, der er for store eller utilstrækkeligt behandlede, reduceres.
Hvilke parametre for ultralydsfræsning kan styres?
Vigtige parametre omfatter ultralydsamplitud, energitilførsel, tryk, temperatur, gennemstrømningshastighed, opholdstid og faststofkoncentration. Takket være præcis regulering kan processen tilpasses til skånsom deagglomerering, intensiv finmaling eller reproducerbar nanodispersion.
Er ultralydsvådformaling energieffektiv?
Ultralydsenergi overføres direkte til opslæmningen, hvor partiklerne findeles. Hurtige kavitationskræfter kan forkorte procescyklusserne og reducere energiforbruget sammenlignet med visse konventionelle formalingmetoder. Det faktiske energiforbrug afhænger af materialet, den ønskede partikelstørrelse, gennemstrømningen og proceskonfigurationen.
Kan ultralydsfræsning køre i kontinuerlig drift?
Ja. Hielschers ultralydsapparater kan integreres med gennemstrømningsreaktorer til kontinuerlig inline-vådformaling. Inline-forarbejdning muliggør kontrolleret opholdstid, ensartet produktkvalitet, høj kapacitet og enkel integration i eksisterende industrielle produktionslinjer.
Kan en ultralydsfræsningsproces skaleres op?
Ultralydsformaling kan udvikles ved hjælp af en laboratoriesonikator og overføres til pilot- eller industrielt udstyr ved anvendelse af definerede procesparametre og et specifikt energitilførsel. Hielscher tilbyder sonikatorer af sondetypen til test i lille skala, procesudvikling og kontinuerlig kommerciel produktion.
Hvordan vælger jeg den rigtige Hielscher-ultralydsapparat?
Valget af sonikator afhænger af materialet, opslæmningens volumen, faststofindholdet, viskositeten, partiklernes udgangsstørrelse, den ønskede slutstørrelse og den ønskede gennemstrømning. En formalingstest kan hjælpe med at fastlægge den optimale amplitude, energibehovet, sondens geometri samt, om der skal anvendes batch- eller inline-konfiguration.
Læs mere om Hielschers proceslaboratorium til dine gennemførlighedstests og procesoptimering.
Litteratur / Referencer
- 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.
- 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.
UIP1000hd
Mikroskopbilleder, der viser forløbet af ultralydsformaling af tandkeramik