Ultraschall-Nassmahlung: Feine Partikel, präzise hergestellt
Hielscher-Ultraschallgeräte sind leistungsstarke Mahlanlagen für die hocheffiziente Partikelgrößenreduktion, Nanodispersion und Emulgierung durch kontrollierte, hochintensive Ultraschallkavitation. Diese Systeme, die sowohl für den Forschungs- als auch für den industriellen Maßstab entwickelt wurden, zerkleinern zuverlässig Agglomerate, verfeinern Pulver und erzeugen homogene Suspensionen in den Bereichen Pharmazeutika, Kosmetika, Nanomaterialien und Spezialchemikalien.
Von grobem Pulver zu einheitlichen Mikro- und Nanopartikeln
Die Sonden-Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen eine leistungsstarke und präzise steuerbare Nassvermahlung und Feinmahlung – ohne Perlen, Kugeln oder andere Mahlkörper. Erzeugen Sie homogene Aufschlämmungen mit hohem Feststoffanteil und enger Partikelgrößenverteilung, während Sie gleichzeitig die Verarbeitungszeit verkürzen und den Energiebedarf senken.
Durch die Nutzung einer präzisen Amplitudenregelung und fortschrittlicher Schallwellenausbreitung erzielen die Ultraschallgeräte gleichmäßige Ergebnisse bei minimaler thermischer Belastung, wodurch empfindliche Verbindungen geschont und gleichzeitig der Durchsatz sowie die Reproduzierbarkeit maximiert werden. Erfahren Sie, wie das Ultraschallmahlen Ihren Formulierungsworkflow optimieren und die Produktleistung steigern kann.
Für wen eignet sich das Ultraschall-Nassmahlen?
- Hersteller, die eine kontrollierte Partikelreduktion auf Mikrometer- oder Nanometergröße benötigen
- Hersteller von Pigmenten, Druckfarben, Lacken und Hochleistungsbeschichtungen
- Verarbeitungsanlagen für Keramik, Mineralien, Zement und Metalloxide
- Formulierer von Arzneimitteln und Kosmetika, die feine Suspensionen entwickeln
- Hersteller von Batterien, Katalysatoren und Hochleistungswerkstoffen
- Unternehmen, die hochkonzentrierte oder viskose Aufschlämmungen verarbeiten
- Laboratorien, die skalierbare Verfahren zur Partikelgrößenreduktion entwickeln
- Hersteller, die eine enge, gleichmäßige Partikelgrößenverteilung anstreben
- Betriebe, die eine Verunreinigung durch Mahlperlen oder -kugeln vermeiden möchten
- Hersteller, die darauf abzielen, die Mahlzeit, den Energieverbrauch und den Reinigungsaufwand zu reduzieren
Teilen Sie uns bitte Informationen zu Ihrem Material, der Feststoffbeladung und der angestrebten Partikelgröße mit. Unser Expertenteam für Ultraschallanwendungen wird Ihnen eine Ultraschallaufstellung zur Verbesserung der Partikelzerkleinerung empfehlen.
Industrieller Ultraschallapparat mit 16.000 Watt, Modell UIP16000hdT zur Nassvermahlung von Pigmenten und Nanopartikeln
Kontrollierte Zerkleinerung von Partikeln mit Hochleistungsultraschall
Die Verkleinerung von Partikeln auf den Mikrometer- oder Nanometerbereich kann eine Formulierung grundlegend verändern. Feinere Partikel können die Reaktivität, Stabilität, Oberfläche, optischen Eigenschaften und die Leistung des Endprodukts verbessern. Herkömmliche Kugel-, Perlen- und Medienmühlen können jedoch Verschleißpartikel einbringen, erfordern eine aufwendige Trennung der Mahlkörper und haben Schwierigkeiten, bei hohen Feststoffkonzentrationen eine gleichmäßige Aufbereitung zu gewährleisten. Das Ultraschall-Nassmahlen bietet eine saubere, kontrollierbare Alternative.
Hielscher-Sonden-Ultraschallgeräte leiten hochintensiven Ultraschall direkt in eine Flüssigkeit oder Aufschlämmung ein. Die wechselnden Druckwellen erzeugen akustische Kavitation: Mikroskopisch kleine Bläschen bilden sich und brechen mit extremer Intensität zusammen, wodurch Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen, Stoßwellen und starke Scherkräfte entstehen. Diese Kräfte beschleunigen die in der Suspension befindlichen Partikel so, dass sie aufeinanderprallen. Die daraus resultierenden Partikelkollisionen, die Fragmentierung und die Oberflächenerosion reduzieren Agglomerate – und unter ausreichend intensiven Bedingungen Primärteilchen – bis hin zu Mikro- und Nanogrößen.
Ultraschallgemahlenes Aluminiumoxid-Trihydrat
AL(OH)₃ wurde von Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, USA, geliefert. AL(OH)₃ ist auch bekannt als Aluminiumtrihydroxid der ATH-Serie, Bayer-Aluminiumhydroxid, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, Hydragyllit oder Gibbsit. Es hat eine Mohs-Härte von‘ Härte von 2,5 bis 3,5.
Ultraschall-Durchflussreaktoren für die industrielle Inline-Produktion von Nanopartikel-Slurries.
Präzise, reproduzierbare und gleichmäßige Partikelgrößenverteilung
Das Ultraschallmahlen ist in hohem Maße anpassbar. Der Bediener kann Amplitude, Energiezufuhr, Druck, Temperatur, Verweilzeit und Durchflussrate steuern, um das Verfahren an das Material und die gewünschte Partikelgröße anzupassen. Dadurch eignet sich das Verfahren für alle Anwendungen, von der schonenden Desagglomeration bis hin zur intensiven Feinmahlung. Durch Rückführung und Inline-Durchflusszellenkonfigurationen wird die Suspension gleichmäßig der Kavitationszone ausgesetzt, was reproduzierbare Ergebnisse und eine enge, homogene Partikelgrößenverteilung gewährleistet.
Dieses Maß an Kontrolle ist besonders wertvoll für Pigmente, Druckfarben, Beschichtungen, Keramiken, Metalloxide, Mineralien, Katalysatoren, Arzneimittel und andere hochentwickelte Werkstoffe, bei denen übergroße Partikel oder eine zu breite Partikelgrößenverteilung die Qualität beeinträchtigen können. Die im Labor ermittelten Prozessparameter lassen sich auf die Pilot- und Industrieproduktion übertragen und ermöglichen so eine systematische Entwicklung und Skalierung.
Verarbeitung von Produkten mit hohem Feststoffanteil ohne Mahlkörper
Da die Partikelverkleinerung durch Kavitation und Kollisionen zwischen den Partikeln selbst erfolgt, sind keine Kügelchen, Perlen oder Mahlkugeln erforderlich. Durch den Verzicht auf Mahlkörper wird eine potenzielle Kontaminationsquelle vermieden und der Aufwand für den Kauf, die Reinigung, den Austausch sowie die Abtrennung der Mahlkörper aus der fertigen Aufschlämmung entfällt. Die einfache, mit der Flüssigkeit in Kontakt kommende Geometrie erleichtert zudem die Reinigung und den Produktwechsel.
Hielscher-Ultraschallgeräte können hochkonzentrierte und viskose Suspensionen verarbeiten. Eine hohe Feststoffbeladung bedeutet weniger zu verarbeitende Flüssigkeit und in vielen Fällen einen geringeren Aufwand bei der nachgelagerten Konzentration oder Trocknung. Außerdem kann dadurch der Mahl-Effekt zwischen den Partikeln verstärkt werden, da die Häufigkeit der Partikelkollisionen erhöht wird. Diese Kombination macht das Ultraschallmahlen besonders attraktiv für konzentrierte Masterbatches und Suspensionen im Produktionsmaßstab.
Mikroskopaufnahmen, die den Verlauf des Ultraschallmahlens von Magenta-Pigmenten auf Ölbasis zeigen
Beispiele: Nassvermahlung von Nanopartikeln mit Leistungsultraschall
Das Ultraschallmahlen eignet sich besonders für die Aufbereitung von Materialien im Mikrometer- und Nanobereich, wie beispielsweise Keramiken, Aluminiumoxid-Trihydrat, Bariumsulfat, Calciumcarbonat und Metalloxide. Die folgenden Tabellen zeigen mikroskopische Aufnahmen der Zerkleinerung von Aluminiumoxidtrihydrat (von 150 Mikrometer auf 10 Mikrometer), Keramiken (von 30 Mikrometer auf 2 Mikrometer) und Natriumcarbonat (von 70 Mikrometer auf 3 Mikrometer). Die Mikroskopaufnahmen auf dieser Seite veranschaulichen den Verlauf der Ultraschallmahlung am Beispiel von Dentalkeramik, Magenta-Pigmenten, Natriumcarbonat und hydratisiertem Aluminiumoxid.
Mikroskopaufnahmen, die den Verlauf des Ultraschallmahlens von Natriumcarbonat (Na₂CO₃) in Isopropanol zeigen.
Ultraschall-dispergierte Kreidefarbe auf dem Grindometer demonstriert die perfekt gleichmäßige Desagglomeration und Partikelgrößenverteilung der Pigmente
Die Ultraschall-Dispergierung gewährleistet eine effektive Partikelgrößenreduzierung und eine gleichmäßige Verteilung der Carbon Black Pigmente in UV-Tinte.
Mehr Ertrag bei jedem Verarbeitungsschritt
Die Ultraschallenergie wird direkt in die Aufschlämmung eingeleitet, wo die Zerkleinerung der Partikel stattfindet. Durch die hohen Kavitationskräfte lassen sich die Mahlzyklen verkürzen, während die effiziente Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Bewegung den Energiebedarf im Vergleich zu herkömmlichen Mahlanlagen senken kann. Die kontinuierliche Inline-Verarbeitung trägt zudem zu einem hohen Durchsatz, gleichbleibender Qualität und der Integration in bestehende Produktionslinien bei.
Für Hersteller, die kleinere Partikel, engere Verteilungsbreiten, eine sauberere Verarbeitung und eine effiziente Skalierung anstreben, machen die Sonden-Ultraschallgeräte von Hielscher das Nassmahlen zu einem präzise gesteuerten Prozess. – von Laborversuchen bis hin zur kontinuierlichen industriellen Produktion.
Dauerbetrieb für hohen Durchsatz
Ultraschallhomogenisatoren lassen sich sehr einfach installieren und bedienen. Es gibt nur zwei Teile, die mit dem zu verarbeitenden Material in Kontakt kommen: die Titan-Sonotrode und die Edelstahl-Durchflusszelle. Dank der einfachen Konstruktion der Ultraschall-Durchflusszelle lassen sich die Geräte schnell reinigen. Da Hielscher-Ultraschallgeräte einen sehr hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie aufweisen, wird für das Ultraschallmahlen in der Regel weniger Leistung benötigt als bei herkömmlichen Mahlanlagen.
Industrie-Ultraschallgerät UIP6000hdT (6 kW) zur gleichzeitigen Pigmentdispergierung und mikrobiellen Sterilisation von wasserbasierten Lack- und Beschichtungsformulierungen [/caption]Der Partikelzerkleinerungseffekt beruht auf intensiver Ultraschallkavitation. Bei der Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten mit hoher Intensität erzeugen die sich in das flüssige Medium ausbreitenden Schallwellen abwechselnde Hochdruck- (Kompression) und Niederdruckzyklen (Verdünnung), deren Frequenz von der Schwingungsfrequenz abhängt. Während des Unterdruckzyklus erzeugen hochintensive Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine Energie mehr aufnehmen können, kollabieren sie während eines Hochdruckzyklus mit großer Wucht. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet.
Das Zusammenfallen der Kavitationsblasen führt zu Mikroturbulenzen und Mikrostrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000 km/h. Große Partikel unterliegen einer Oberflächenerosion (durch den Zusammenbruch von Kavitationsblasen in der umgebenden Flüssigkeit) oder einer Verkleinerung der Partikelgröße (aufgrund von Spaltung durch Partikelkollisionen oder durch den Zusammenbruch von an der Oberfläche gebildeten Kavitationsblasen). Dies führt zu einer starken Beschleunigung von Diffusions- und Stoffübertragungsprozessen sowie von Festphasenreaktionen aufgrund von Veränderungen der Kristallitgröße und -struktur.
Ultraschallprozessoren und Durchflusszellen zum Dispergieren und zur Nassvermahlung von Pulvern sind sowohl für den Labor- als auch für den Produktionsbereich erhältlich. Die industriellen Anlagen lassen sich problemlos für den Inline-Betrieb nachrüsten. Für die Forschung und die Erprobung dieses Verfahrens sowie für viele sonochemische Prozesse empfehlen wir unsere Laborgeräte oder das Modell UIP1000hd.
Mit Hielscher-Ultraschallgeräten lassen sich Nanodiamanten effizient und zuverlässig dispergieren.
Häufig gestellte Fragen zum Ultraschall-Nassmahlen
Was ist Ultraschall-Nassmahlen?
Das Ultraschall-Nassmahlen ist ein Verfahren zur Partikelgrößenreduktion, bei dem eine flüssige Aufschlämmung mit hochleistungsfähigem Ultraschall beaufschlagt wird. Durch akustische Kavitation entstehen starke Scherkräfte, Stoßwellen und Kollisionen zwischen den Partikeln, wodurch Agglomerate aufgebrochen und Feststoffpartikel auf Mikrometer- oder Nanometergröße zerkleinert werden.
Wie reduziert ein Sonden-Ultraschallgerät die Partikelgröße?
Die Ultraschallsonde, auch Sonotrode genannt, überträgt hochintensiven Ultraschall direkt in die Aufschlämmung. Dabei entstehen Kavitationsblasen, die zusammenbrechen und hochgeschwindigkeitsreiche Flüssigkeitsstrahlen erzeugen, welche die Partikel gegeneinander beschleunigen. Diese Kollisionen führen zur Partikelzerkleinerung, Oberflächenerosion und einer effektiven Desagglomeration.
Können durch Ultraschall-Nassmahlung Nanopartikel hergestellt werden?
Ja. Die Sonden-Ultraschallgeräte von Hielscher können zur kontrollierten Mikronisierung und Nanoproduktion eingesetzt werden. Die erreichbare Partikelgröße hängt vom Material, der Ausgangspartikelgröße, der Suspensionszusammensetzung, der Feststoffkonzentration, der Verarbeitungsintensität, der Temperatur, dem Druck und der Ultraschallbehandlungsdauer ab.
Welche Materialien lassen sich durch Ultraschallfräsen bearbeiten?
Das Ultraschall-Nassmahlen eignet sich für Pigmente, Druckfarben, Keramiken, Metalloxide, Mineralien, Zement, Katalysatoren, Batteriematerialien, Arzneimittel, Kosmetika und hochentwickelte Nanomaterialien. Es kann Partikel verarbeiten, die in Wasser, Lösungsmitteln, Ölen, Harzen und anderen kompatiblen flüssigen Medien suspendiert sind.
Sind für das Ultraschallmahlen Mahlperlen oder -kugeln erforderlich?
Nein. Bei der ultraschallgestützten Partikelgrößenreduktion werden keine herkömmlichen Mahlkörper benötigt. Der Mahl-Effekt entsteht durch kavitationsbedingte Partikelkollisionen. Durch den Verzicht auf Mahlperlen und -kugeln wird das Risiko einer Verunreinigung durch Mahlkörper verringert, und der Aufwand für die Trennung, Reinigung, den Austausch und die Entsorgung der Mahlkörper entfällt.
Können Hielscher-Ultraschallgeräte Suspensionen mit hohem Feststoffanteil verarbeiten?
Ja. Die Ultraschallprozessoren von Hielscher sind für hochkonzentrierte und viskose Suspensionen geeignet. Ein hoher Feststoffanteil verringert das zu verarbeitende Flüssigkeitsvolumen und kann die Kollisionen zwischen den Partikeln verstärken, wodurch sich das Ultraschallmahlen besonders für konzentrierte Aufschlämmungen und die Masterbatch-Herstellung eignet.
Führt das Ultraschallmahlen zu einer engen Partikelgrößenverteilung?
Die gleichmäßige Einwirkung der Ultraschall-Kavitationszone sorgt für eine enge und homogene Partikelgrößenverteilung. Die Rückführung und die kontinuierliche Inline-Verarbeitung tragen dazu bei, eine gleichmäßige Aufbereitung der gesamten Suspension zu gewährleisten und gleichzeitig die Anzahl übergroßer oder unzureichend aufbereiteter Partikel zu reduzieren.
Welche Parameter des Ultraschallfräsens lassen sich steuern?
Zu den wichtigen Parametern zählen die Ultraschallamplitude, die Energiezufuhr, der Druck, die Temperatur, die Durchflussrate, die Verweilzeit und die Feststoffkonzentration. Durch eine präzise Steuerung lässt sich der Prozess so anpassen, dass eine schonende Desagglomeration, eine intensive Feinmahlung oder eine reproduzierbare Nanodispersion erreicht wird.
Ist das Ultraschall-Nassmahlen energieeffizient?
Die Ultraschallenergie wird direkt in die Aufschlämmung übertragen, wo die Zerkleinerung der Partikel stattfindet. Durch die schnellen Kavitationskräfte lassen sich die Verarbeitungszyklen verkürzen und der Energiebedarf im Vergleich zu einigen herkömmlichen Mahlverfahren senken. Der tatsächliche Energieverbrauch hängt vom Material, der angestrebten Partikelgröße, dem Durchsatz und der Prozesskonfiguration ab.
Kann das Ultraschallfräsen im Dauerbetrieb durchgeführt werden?
Ja. Hielscher-Ultraschallgeräte lassen sich in Durchflusszellenreaktoren integrieren, um eine kontinuierliche Inline-Nassvermahlung zu ermöglichen. Die Inline-Verarbeitung ermöglicht eine kontrollierte Verweilzeit, eine gleichbleibende Produktqualität, einen hohen Durchsatz und eine unkomplizierte Integration in bestehende industrielle Produktionslinien.
Lässt sich ein Ultraschallfräsverfahren auf größere Maßstäbe übertragen?
Das Ultraschallmahlen lässt sich mit einem Labor-Ultraschallgerät entwickeln und unter Verwendung definierter Prozessparameter und einer spezifischen Energiezufuhr auf Pilot- oder Industrieanlagen übertragen. Hielscher bietet Sonden-Ultraschallgeräte für Versuche im kleinen Maßstab, die Prozessentwicklung und die kontinuierliche kommerzielle Produktion an.
Wie wähle ich den richtigen Hielscher-Ultraschallapparat aus?
Die Auswahl des Sonicators hängt vom Material, dem Aufschlämmungsvolumen, der Feststoffbeladung, der Viskosität, der Ausgangspartikelgröße, der gewünschten Endgröße und dem gewünschten Durchsatz ab. Ein Mahlversuch kann dabei helfen, die optimale Amplitude, den Energiebedarf, die Sondengeometrie sowie die Batch- oder Inline-Konfiguration zu ermitteln.
Erfahren Sie mehr über das Hielscher-Prozesslabor für Ihre Machbarkeitsversuche und Prozessoptimierung.
Literatur / Literaturhinweise
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UIP1000hd
Mikroskopaufnahmen, die den Verlauf des Ultraschallmahlens von Dentalkeramik zeigen