Molienda húmeda por ultrasonidos: partículas finas, diseñadas con precisión

Los sonicadores de Hielscher son equipos de molienda eficaces para la reducción de partículas de alta eficiencia, la nanodispersión y la emulsificación mediante cavitación ultrasónica controlada y de alta intensidad. Diseñados tanto para la investigación como para la escala industrial, estos sistemas descomponen de forma fiable los aglomerados, refinan los polvos y crean suspensiones homogéneas en los sectores farmacéutico, cosmético, de nanomateriales y de productos químicos especializados.

Del polvo grueso a micropartículas y nanopartículas uniformes

Los sonicadores de sonda de Hielscher permiten realizar una molienda en húmedo y una molienda fina potentes y controlables con precisión. – sin perlas, bolas u otros medios de molienda. Permite obtener suspensiones homogéneas con alto contenido en sólidos y distribuciones de tamaño de partícula estrechas, al tiempo que acorta el tiempo de procesamiento y reduce el consumo energético.
Gracias al control preciso de la amplitud y a la propagación avanzada de las ondas acústicas, los sonicadores logran resultados uniformes con un impacto térmico mínimo, lo que permite preservar los compuestos sensibles al tiempo que se maximiza el rendimiento y la reproducibilidad. Descubre cómo la molienda ultrasónica puede optimizar tu flujo de trabajo de formulación y mejorar el rendimiento de tus productos.

¿Quién debería utilizar la molienda húmeda por ultrasonidos?

• Fabricantes que necesitan una reducción controlada de partículas de tamaño micrométrico o nanométrico
• Fabricantes de pigmentos, tintas, pinturas y recubrimientos de alto rendimiento
• Procesadores de cerámica, minerales, cemento y óxidos metálicos
• Formuladores de productos farmacéuticos y cosméticos que desarrollan suspensiones finas
• Fabricantes de baterías, catalizadores y materiales avanzados
• Empresas que procesan lodos altamente concentrados o viscosos
• Laboratorios que desarrollan procesos escalables de reducción del tamaño de las partículas
• Fabricantes que buscan una distribución granulométrica estrecha y uniforme
• Procesos en los que se desea evitar la contaminación por perlas o bolas de molienda
• Productores que desean reducir el tiempo de molienda, el consumo de energía y las necesidades de limpieza

Reducción controlada del tamaño de las partículas mediante ultrasonidos de alta potencia

Reducir el tamaño de las partículas al rango de las micras o los nanómetros puede transformar una formulación. Las partículas más finas pueden mejorar la reactividad, la estabilidad, la superficie específica, las propiedades ópticas y el rendimiento del producto final. Sin embargo, los molinos convencionales de bolas, perlas y medios de molienda pueden introducir partículas de desgaste, requieren una laboriosa separación de los medios y tienen dificultades para proporcionar un tratamiento uniforme a altas concentraciones de sólidos. La molienda húmeda por ultrasonidos ofrece una alternativa limpia y controlable.
Los sonicadores de sonda de Hielscher transmiten ultrasonidos de alta intensidad directamente a un líquido o una suspensión. Las ondas de presión alternas provocan cavitación acústica: se forman y colapsan burbujas microscópicas con extrema intensidad, generando chorros de líquido a alta velocidad, ondas de choque y potentes fuerzas de cizallamiento. Estas fuerzas hacen que las partículas en suspensión choquen entre sí. Las colisiones entre partículas, la fragmentación y la erosión superficial resultantes reducen los aglomerados. – y, en condiciones suficientemente intensas, las partículas primarias – hasta el tamaño micro y nano.
 

Trihidrato de alúmina molido por ultrasonidos
El AL(OH)₃ fue suministrado por Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, Pensilvania, EE. UU. El AL(OH)₃ también se conoce como trihidróxido de aluminio de la serie ATH, alúmina hidratada de Bayer, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hidragilita o gibbsita. Tiene una dureza según la escala de Mohs’ dureza de entre 2,5 y 3,5.

Distribución del tamaño de las partículas precisa, repetible y uniforme

La molienda ultrasónica es altamente ajustable. Los operadores pueden controlar la amplitud, la energía aplicada, la presión, la temperatura, el tiempo de residencia y el caudal para adaptarlos al material y al tamaño de partícula deseado. Esto hace que el proceso sea adecuado para todo tipo de aplicaciones, desde la desaglomeración suave hasta la molienda fina intensiva. Las configuraciones de recirculación y de célula de flujo en línea exponen la suspensión de manera uniforme a la zona de cavitación, lo que garantiza resultados reproducibles y una distribución del tamaño de partícula estrecha y homogénea.
Este nivel de control resulta muy valioso para pigmentos, tintas, recubrimientos, cerámicas, óxidos metálicos, minerales, catalizadores, productos farmacéuticos y otros materiales avanzados en los que las partículas de tamaño excesivo o una distribución demasiado amplia pueden comprometer la calidad. Los parámetros de proceso establecidos en el laboratorio pueden trasladarse a la producción piloto e industrial, lo que permite un desarrollo y una ampliación de escala sistemáticos.

Procesamiento de alto contenido en sólidos sin medios de molienda

Dado que la reducción de partículas se produce mediante cavitación y colisiones entre las propias partículas, no se necesitan perlas, bolas ni bolas de molienda. La eliminación de los medios de molienda evita una posible fuente de contaminación y elimina la necesidad de adquirir, limpiar, sustituir y separar dichos medios de la suspensión final. La sencilla geometría en contacto con el líquido también facilita la limpieza y el cambio de producto.
Los sonicadores de Hielscher pueden procesar suspensiones muy concentradas y viscosas. Una elevada carga de sólidos supone menos líquido que manejar y, en muchos casos, una menor concentración o secado en las etapas posteriores. También puede potenciar el efecto de molienda entre partículas al aumentar la frecuencia de las colisiones entre ellas. Esta combinación hace que la molienda ultrasónica resulte especialmente atractiva para las mezclas maestras concentradas y las suspensiones a escala de producción.
 

Imágenes de microscopio que muestran el proceso de molienda ultrasónica de pigmentos magenta a base de aceite

Ejemplos: Molienda en húmedo de nanopartículas mediante ultrasonidos de alta potencia

La molienda ultrasónica resulta especialmente adecuada para procesar materiales de tamaño micrométrico y nanométrico, como cerámicas, trihidrato de alúmina, sulfato de bario, carbonato de calcio y óxidos metálicos. Las tablas siguientes muestran imágenes microscópicas de la molienda de trihidrato de alúmina (de 150 micras a 10 micras), cerámicas (de 30 micras a 2 micras) y carbonato de sodio (de 70 micras a 3 micras). Las imágenes microscópicas de esta página muestran el proceso de molienda ultrasónica tomando como ejemplos cerámicas dentales, pigmentos magenta, carbonato de sodio y alúmina hidratada.
 

Imágenes de microscopio que muestran el proceso de molienda ultrasónica del carbonato de sodio (Na₂CO₃) en isopropanol.

Mayor rendimiento en cada fase del proceso

La energía ultrasónica se aplica directamente en la suspensión, donde tiene lugar la reducción del tamaño de las partículas. Las rápidas fuerzas de cavitación pueden acortar los ciclos de molienda, mientras que la conversión eficiente de la energía eléctrica en movimiento mecánico puede reducir el consumo energético en comparación con los equipos de molienda convencionales. El procesamiento continuo en línea favorece además un alto rendimiento, una calidad constante y la integración en las líneas de producción existentes.
Para los fabricantes que buscan partículas más pequeñas, distribuciones más ajustadas, un procesamiento más limpio y una ampliación de escala eficiente, los sonicadores de sonda de Hielscher convierten la molienda en húmedo en un proceso diseñado con precisión. – desde los ensayos de laboratorio hasta la producción industrial en serie.

Funcionamiento continuo para un alto rendimiento

Los homogeneizadores ultrasónicos son muy fáciles de instalar y manejar. Solo hay dos piezas que entran en contacto con el material a moler: el sonotrodo de titanio y la célula de flujo de acero inoxidable. Gracias al sencillo diseño de la célula de flujo ultrasónica, las unidades se pueden limpiar rápidamente. Dado que los dispositivos ultrasónicos de Hielscher tienen una eficiencia muy alta en la conversión de energía eléctrica en mecánica, por lo general se necesita menos potencia para la molienda ultrasónica que para los equipos de molienda convencionales.

Sonicador industrial UIP6000hdT (6 kW) para la dispersión simultánea de pigmentos y la esterilización microbiana de formulaciones de pinturas y recubrimientos al agua [/caption]El efecto de molienda de partículas se basa en una cavitación ultrasónica intensa. Al someter líquidos a ultrasonidos de alta intensidad, las ondas sonoras que se propagan en el medio líquido dan lugar a ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), con frecuencias que dependen de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o huecos en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber más energía, colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. A este fenómeno se le denomina cavitación.
La implosión de las burbujas de cavitación genera microturbulencias y microchorros de hasta 1000 km/h. Las partículas más grandes sufren una erosión en su superficie (por el colapso cavitacional en el líquido circundante) o una reducción en su tamaño (debido a la ruptura por la colisión entre partículas o, nuevamente, al colapso de las burbujas de cavitación formadas en su superficie). Esto da como resultado una rápida aceleración de los procesos de difusión, de transferencia de masa y de las reacciones en fase sólida debido a los cambios en el tamaño del grano y en su estructura.

Disponemos de procesadores ultrasónicos y celdas de flujo para la dispersión y la molienda en húmedo de polvos, tanto a nivel de laboratorio como de producción. Los sistemas industriales pueden adaptarse fácilmente para funcionar en línea. Para la investigación y las pruebas de este proceso, así como para numerosos procesos sonoquímicos, recomendamos nuestros equipos de laboratorio o el modelo UIP1000hd.

Los nanodiamantes pueden dispersarse de forma eficaz y fiable con los ultrasonidos de Hielscher.

Literatura / Referencias