Ultraäänimärkäjauhatus: hienoja hiukkasia täsmällisesti tuotettuina
Hielscher ultraäänilaitteet ovat tehokkaita jauhatuslaitteita, joilla voidaan pienentää hiukkaskokoa erittäin tehokkaasti, tuottaa nanodispersioita ja emulgoida hallitun, voimakkaan ultraäänikavitaation avulla. Nämä sekä tutkimukseen että teolliseen mittakaavaan suunnitellut järjestelmät hajottavat luotettavasti agglomeraatteja, hienontavat jauheita ja tuottavat homogeenisia suspensioita lääkevalmisteiden, kosmetiikan, nanomateriaalien ja erikoiskemikaalien valmistuksessa.
Karkeasta jauheesta tasalaatuisiksi mikro- ja nanohiukkasiksi
Sonotrodilla varustetut Hielscher ultraäänilaitteet mahdollistavat tehokkaan, tarkasti hallittavan märkäjauhatuksen ja hienojauhatuksen – ilman jauhatushelmiä, kuulia tai muita jauhatuskappaleita. Tuota homogeenisia lietteitä, joiden kiintoainepitoisuus on suuri ja hiukkaskokojakauma kapea, samalla kun lyhennät käsittelyaikaa ja vähennät energiantarvetta.
Tarkan amplitudinsäädön ja edistyksellisen akustisten aaltojen etenemisen ansiosta ultraäänilaitteet saavuttavat tasalaatuisia tuloksia vähäisellä lämpövaikutuksella, säilyttävät herkät yhdisteet ja maksimoivat samalla käsittelykapasiteetin ja toistettavuuden. Tutustu siihen, miten ultraäänijauhatus voi sujuvoittaa formulaatioiden kehitystyötäsi ja parantaa tuotteen suorituskykyä.
Kenelle ultraäänimärkäjauhatus sopii?
- Valmistajille, jotka tarvitsevat hallittua hiukkaskoon pienentämistä mikrometri- tai nanometrikokoon
- Pigmenttien, musteiden, maalien ja suorituskykyisten pinnoitteiden valmistajille
- Keraamisten materiaalien, mineraalien, sementin ja metallioksidien käsittelijöille
- Lääke- ja kosmetiikkaformulaatioiden kehittäjille, jotka kehittävät hienojakoisia suspensioita
- Akkujen, katalyyttien ja edistyksellisten materiaalien valmistajille
- Yrityksille, jotka käsittelevät erittäin väkeviä tai viskooseja lietteitä
- Laboratorioille, jotka kehittävät skaalattavia hiukkaskoon pienentämisprosesseja
- Valmistajille, jotka tavoittelevat kapeaa ja tasaista hiukkaskokojakaumaa
- Tuotantolaitoksille, jotka haluavat välttää jauhatushelmien tai -kuulien aiheuttaman kontaminaation
- Valmistajille, jotka pyrkivät lyhentämään jauhatusaikaa, vähentämään energiankulutusta ja pienentämään puhdistustarvetta
Kerro meille materiaalistasi, kiintoainepitoisuudestasi ja tavoitellusta hiukkaskoosta. Ultraäänikäsittelyn asiantuntijatiimimme suosittelee sinulle ultraäänilaitteistoa hiukkasten jauhatuksen tehostamiseen.
Teollinen 16 000 watin ultraäänilaite UIP16000hdT pigmenttien ja nanohiukkasten märkäjauhatukseen
Hallittu hiukkaskoon pienentäminen teho-ultraäänellä
Hiukkasten pienentäminen mikrometri- tai nanometriluokkaan voi muuttaa formulaation ominaisuuksia. Hienommat hiukkaset voivat parantaa reaktiivisuutta, stabiilisuutta, pinta-alaa, optisia ominaisuuksia ja lopputuotteen suorituskykyä. Perinteiset kuula-, helmi- ja muut jauhatuskappaleita käyttävät myllyt voivat kuitenkin tuoda tuotteeseen kulumishiukkasia, edellyttää työlästä jauhatuskappaleiden erottamista ja vaikeuttaa tasaisen käsittelyn saavuttamista suurilla kiintoainepitoisuuksilla. Ultraäänimärkäjauhatus tarjoaa puhtaan, hallittavan vaihtoehdon.
Sonotrodilla varustetut Hielscher ultraäänilaitteet välittävät voimakasta ultraääntä suoraan nesteeseen tai lietteeseen. Vuorottelevat paineaallot synnyttävät akustista kavitaatiota: mikroskooppisia kuplia muodostuu ja romahtaa äärimmäisen voimakkaasti, jolloin syntyy nopeita nestesuihkuja, iskuaaltoja ja voimakkaita leikkausvoimia. Nämä voimat kiihdyttävät suspendoituneita hiukkasia törmäämään toisiinsa. Tästä seuraavat hiukkasten väliset törmäykset, pirstoutuminen ja pintaeroosio pienentävät agglomeraatit – ja riittävän voimakkaissa olosuhteissa myös primäärihiukkaset – mikro- ja nanokokoon.
Ultraäänellä jauhettu alumiinioksiditrihydraatti
AL(OH)3:n toimitti Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, USA. AL(OH)3 tunnetaan myös nimillä Aluminum Trihydroxide ATH Series, Bayer Hydrated Alumina, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hydrargilliitti ja gibbsiitti. Sen kovuus Mohsin asteikolla on 2,5–3,5.
Ultraääniläpivirtausreaktorit nanohiukkaslietteiden teolliseen tuotantoon suoraan prosessivirrassa.
Tarkka, toistettava ja tasainen hiukkaskokojakauma
Ultraäänijauhatus on erittäin hyvin säädettävissä. Käyttäjät voivat säätää amplitudia, syötettyä energiaa, painetta, lämpötilaa, viipymäaikaa ja tilavuusvirtaa materiaalin ja tavoitellun hiukkaskoon mukaan. Tämä tekee prosessista sopivan kaikkeen hellävaraisesta agglomeraattien hajotuksesta voimakkaaseen hienojauhatukseen. Takaisinkierrätys ja suoraan prosessivirtaan asennettavat virtauskennot altistavat lietteen tasaisesti kavitaatiovyöhykkeelle, mikä tukee toistettavia tuloksia ja kapeaa, homogeenista hiukkaskokojakaumaa.
Näin tarkka hallinta on arvokasta pigmenttien, musteiden, pinnoitteiden, keraamisten materiaalien, metallioksidien, mineraalien, katalyyttien, lääkevalmisteiden ja muiden edistyksellisten materiaalien käsittelyssä, jossa liian suuret hiukkaset tai laaja kokojakauma voivat heikentää laatua. Laboratoriossa määritetyt prosessiparametrit voidaan siirtää pilotti- ja teolliseen tuotantoon, mikä mahdollistaa järjestelmällisen kehittämisen ja mittakaavan suurentamisen.
Suuren kiintoainepitoisuuden käsittely ilman jauhatuskappaleita
Koska hiukkaskoon pienentyminen perustuu kavitaatioon ja hiukkasten keskinäisiin törmäyksiin, helmiä, pieniä kuulia tai jauhatuskuulia ei tarvita. Jauhatuskappaleiden pois jättäminen poistaa mahdollisen kontaminaatiolähteen ja tarpeen hankkia, puhdistaa ja vaihtaa jauhatuskappaleita sekä erottaa ne valmiista lietteestä. Myös nesteen kanssa kosketuksiin joutuvien osien yksinkertainen geometria helpottaa puhdistusta ja tuotevaihtoja.
Hielscher ultraäänilaitteet voivat käsitellä erittäin väkeviä ja viskooseja lietteitä. Suuri kiintoainepitoisuus tarkoittaa pienempää käsiteltävää nestemäärää ja monissa tapauksissa vähäisempää myöhempää väkevöinti- tai kuivaustarvetta. Se voi myös vahvistaa hiukkasten keskinäistä jauhatusvaikutusta lisäämällä hiukkasten törmäystiheyttä. Tämä yhdistelmä tekee ultraäänijauhatuksesta erityisen houkuttelevan vaihtoehdon väkeville masterbatch-seoksille ja tuotantomittakaavan suspensioille.
Mikroskooppikuvia, jotka havainnollistavat öljypohjaisten magentapigmenttien ultraäänijauhatuksen etenemistä
Esimerkkejä: nanohiukkasten märkäjauhatus teho-ultraäänellä
Ultraäänijauhatus soveltuu erityisen hyvin mikro- ja nanokokoisten materiaalien, kuten keraamisten materiaalien, alumiinioksiditrihydraatin, bariumsulfaatin, kalsiumkarbonaatin ja metallioksidien, käsittelyyn. Alla olevissa taulukoissa on mikroskooppikuvia alumiinioksiditrihydraatin (150 mikrometristä 10 mikrometriin), keraamisten materiaalien (30 mikrometristä 2 mikrometriin) ja natriumkarbonaatin (70 mikrometristä 3 mikrometriin) jauhatuksesta. Tämän sivun mikroskooppikuvat havainnollistavat ultraäänijauhatuksen etenemistä hammaskeraamien, magentapigmenttien, natriumkarbonaatin ja hydratoituneen alumiinioksidin esimerkkien avulla.
Mikroskooppikuvia, jotka havainnollistavat natriumkarbonaatin (Na2CO3) ultraäänijauhatuksen etenemistä isopropanolissa.
Ultraäänikäsitelty liitumaali jauhatusasteen mittarissa osoittaa pigmenttien täydellisen tasaisen agglomeraattien hajotuksen ja hiukkaskokojakauman
Ultraäänidispergointi varmistaa hiilimustapigmenttien tehokkaan hiukkaskoon pienentämisen ja tasaisen jakautumisen UV-musteessa.
Enemmän tuotantoa jokaisesta käsittelyvaiheesta
Ultraäänienergia välitetään suoraan lietteeseen, jossa hiukkaskoon pienentyminen tapahtuu. Nopeasti vaikuttavat kavitaatiovoimat voivat lyhentää jauhatusjaksoja, ja sähköenergian tehokas muuntuminen mekaaniseksi liikkeeksi voi vähentää energiantarvetta perinteisiin jauhatuslaitteisiin verrattuna. Jatkuva käsittely suoraan prosessivirrassa tukee lisäksi suurta käsittelykapasiteettia, tasaista laatua ja integrointia olemassa oleviin tuotantolinjoihin.
Pienempiä hiukkasia, kapeampia jakaumia, puhtaampaa käsittelyä ja tehokasta mittakaavan suurentamista tavoitteleville valmistajille sonotrodilla varustetut Hielscher ultraäänilaitteet tekevät märkäjauhatuksesta tarkasti suunnitellun prosessin – laboratoriokokeista jatkuvaan teolliseen tuotantoon.
Jatkuva toiminta suurta käsittelykapasiteettia varten
Ultraäänihomogenisaattorit ovat erittäin helppoja asentaa ja käyttää. Vain kaksi osaa on kosketuksissa jauhettavan materiaalin kanssa: titaaninen sonotrodi ja ruostumattomasta teräksestä valmistettu virtauskenno. Ultraäänivirtauskennon yksinkertaisen rakenteen ansiosta laitteet voidaan puhdistaa nopeasti. Koska Hielscher ultraäänilaitteiden hyötysuhde sähköenergian muuntamisessa mekaaniseksi energiaksi on erittäin korkea, ultraäänijauhatuksessa tarvitaan yleensä vähemmän tehoa kuin perinteisiä jauhatuslaitteita käytettäessä.
Teollinen ultraäänilaite UIP6000hdT (6kW) vesipohjaisten maali- ja pinnoiteformulaatioiden samanaikaiseen pigmenttien dispergointiin ja mikrobisterilointiin Hiukkasten jauhatusvaikutus perustuu voimakkaaseen ultraäänikavitaatioon. Kun nesteitä käsitellään voimakkaalla ultraäänellä, nesteeseen etenevät ääniaallot synnyttävät vuorottelevia korkeapaineisia (puristus) ja matalapaineisia (harvennus) jaksoja, joiden toistumisnopeus riippuu taajuudesta. Matalapaineisen jakson aikana voimakkaat ultraääniaallot synnyttävät nesteeseen pieniä tyhjiökuplia tai onteloita. Kun kuplien tilavuus saavuttaa tason, jolla ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne romahtavat rajusti korkeapaineisen jakson aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi.
Kavitaatiokuplien luhistuminen synnyttää mikroturbulenssia ja mikrosuihkuja, joiden nopeus on jopa 1000km/hr. Suuret hiukkaset altistuvat pintaeroosiolle (ympäröivän nesteen kavitaatiokuplien romahtamisen vaikutuksesta) tai niiden koko pienenee (hiukkasten välisten törmäysten aiheuttaman halkeamisen tai pinnalle muodostuneiden kavitaatiokuplien romahtamisen vuoksi). Tämä nopeuttaa huomattavasti diffuusiota, aineensiirtoprosesseja ja kiinteän faasin reaktioita, koska kristalliittien koko ja rakenne muuttuvat.
Jauheiden dispergointiin ja märkäjauhatukseen tarkoitettuja ultraääniprosessoreita ja virtauskennoja on saatavana laboratorio- ja tuotantomittakaavaan. Teolliset järjestelmät voidaan helposti jälkiasentaa toimimaan suoraan prosessivirrassa. Tämän prosessin tutkimiseen ja testaamiseen sekä moniin sonokemiallisiin prosesseihin suosittelemme laboratoriolaitteitamme tai laitetta UIP1000hd.
Nanotimantteja voidaan dispergoida tehokkaasti ja luotettavasti Hielscher ultraäänilaitteilla.
Usein kysyttyjä kysymyksiä ultraäänimärkäjauhatuksesta
Mitä ultraäänimärkäjauhatus on?
Ultraäänimärkäjauhatus on hiukkaskoon pienentämisprosessi, jossa nestemäiseen lietteeseen kohdistetaan suuritehoista ultraääntä. Akustinen kavitaatio synnyttää voimakkaita leikkausvoimia, iskuaaltoja ja hiukkasten välisiä törmäyksiä, jotka hajottavat agglomeraatteja ja pienentävät kiinteitä hiukkasia mikrometri- tai nanometrikokoon.
Miten sonotrodilla varustettu ultraäänilaite pienentää hiukkaskokoa?
Ultraäänianturi eli sonotrodi välittää voimakasta ultraääntä suoraan lietteeseen. Kavitaatiokuplia muodostuu ja romahtaa, jolloin syntyy nopeita nestesuihkuja, jotka kiihdyttävät hiukkasia törmäämään toisiinsa. Nämä törmäykset aiheuttavat hiukkasten pirstoutumista, pintaeroosiota ja tehokasta agglomeraattien hajotusta.
Voidaanko ultraäänimärkäjauhatuksella tuottaa nanohiukkasia?
Kyllä. Sonotrodilla varustettuja Hielscher ultraäänilaitteita voidaan käyttää hallittuun mikronisointiin ja hiukkaskoon pienentämiseen nanoluokkaan. Saavutettava hiukkaskoko riippuu materiaalista, alkuperäisestä hiukkaskoosta, lietteen koostumuksesta, kiintoainepitoisuudesta, käsittelyn voimakkuudesta, lämpötilasta, paineesta ja ultraäänikäsittelyajasta.
Mitä materiaaleja voidaan käsitellä ultraäänijauhatuksella?
Ultraäänimärkäjauhatus soveltuu pigmenttien, musteiden, keraamisten materiaalien, metallioksidien, mineraalien, sementin, katalyyttien, akkumateriaalien, lääkevalmisteiden, kosmetiikan ja edistyksellisten nanomateriaalien käsittelyyn. Sillä voidaan käsitellä hiukkasia, jotka on suspendoitu veteen, liuottimiin, öljyihin, hartseihin ja muihin yhteensopiviin nestemäisiin väliaineisiin.
Tarvitaanko ultraäänijauhatuksessa jauhatushelmiä tai -kuulia?
Ei. Ultraäänellä tapahtuva hiukkaskoon pienentäminen ei edellytä perinteisiä jauhatuskappaleita. Kavitaation aikaansaamat hiukkasten väliset törmäykset tuottavat jauhatusvaikutuksen. Helmien ja kuulien pois jättäminen vähentää jauhatuskappaleista johtuvan kontaminaation riskiä ja poistaa tarpeen erottaa, puhdistaa, vaihtaa ja hävittää jauhatuskappaleita.
Voivatko Hielscher ultraäänilaitteet käsitellä suuren kiintoainepitoisuuden lietteitä?
Kyllä. Hielscher ultraääniprosessorit voivat käsitellä erittäin väkeviä ja viskooseja suspensioita. Suuri kiintoainepitoisuus vähentää käsiteltävän nesteen tilavuutta ja voi voimistaa hiukkasten välisiä törmäyksiä, mikä tekee ultraäänijauhatuksesta houkuttelevan vaihtoehdon väkevien lietteiden käsittelyyn ja masterbatch-seosten tuotantoon.
Tuottaako ultraäänijauhatus kapean hiukkaskokojakauman?
Tasainen altistuminen ultraäänikavitaatiovyöhykkeelle tukee kapeaa ja homogeenista hiukkaskokojakaumaa. Takaisinkierrätys ja jatkuva käsittely suoraan prosessivirrassa auttavat varmistamaan koko lietteen tasaisen käsittelyn ja vähentävät samalla liian suurten tai riittämättömästi käsiteltyjen hiukkasten määrää.
Mitä ultraäänijauhatuksen parametreja voidaan säätää?
Tärkeitä parametreja ovat ultraäänen amplitudi, syötetty energia, paine, lämpötila, tilavuusvirta, viipymäaika ja kiintoainepitoisuus. Tarkka säätö mahdollistaa prosessin mukauttamisen hellävaraiseen agglomeraattien hajotukseen, voimakkaaseen hienojauhatukseen tai toistettavaan nanodispergointiin.
Onko ultraäänimärkäjauhatus energiatehokasta?
Ultraäänienergia välitetään suoraan lietteeseen, jossa hiukkaskoon pienentyminen tapahtuu. Nopeasti vaikuttavat kavitaatiovoimat voivat lyhentää käsittelyjaksoja ja vähentää energiantarvetta joihinkin perinteisiin jauhatusmenetelmiin verrattuna. Todellinen energiankulutus riippuu materiaalista, tavoitellusta hiukkaskoosta, käsittelykapasiteetista ja prosessin kokoonpanosta.
Voidaanko ultraäänijauhatusta käyttää jatkuvatoimisesti?
Kyllä. Hielscher ultraäänilaitteet voidaan yhdistää virtauskennoreaktoreihin jatkuvaa, suoraan prosessivirrassa tapahtuvaa märkäjauhatusta varten. Käsittely suoraan prosessivirrassa mahdollistaa hallitun viipymäajan, tasaisen tuotelaadun, suuren käsittelykapasiteetin ja helpon integroinnin olemassa oleviin teollisiin tuotantolinjoihin.
Voidaanko ultraäänijauhatusprosessin mittakaavaa suurentaa?
Ultraäänijauhatusta voidaan kehittää laboratorion ultraäänilaitteella ja siirtää pilotti- tai teolliseen laitteistoon määritettyjen prosessiparametrien ja ominaisenergian syötön avulla. Hielscher tarjoaa sonotrodilla varustettuja ultraäänilaitteita pienen mittakaavan testaukseen, prosessikehitykseen ja jatkuvaan kaupalliseen tuotantoon.
Miten valitsen sopivan Hielscher ultraäänilaitteen?
Ultraäänilaitteen valinta riippuu materiaalista, lietteen tilavuudesta, kiintoainepitoisuudesta, viskositeetista, alkuperäisestä hiukkaskoosta, vaaditusta lopullisesta hiukkaskoosta ja halutusta käsittelykapasiteetista. Jauhatuskoe voi auttaa määrittämään optimaalisen amplitudin, energiantarpeen, anturin geometrian ja erä- tai läpivirtauskokoonpanon.
Tutustu tarkemmin Hielscherin prosessilaboratorioon toteutettavuuskokeita ja prosessisi optimointia varten.
Kirjallisuus / lähteet
- 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
Mikroskooppikuvia, jotka havainnollistavat hammaskeraamin ultraäänijauhatuksen etenemistä