Ultraäänimärkäjauhaminen: hienojakoisia hiukkasia, tarkasti suunniteltu
Hielscherin ultraäänilaitteet ovat tehokkaita jauhatuslaitteita, jotka mahdollistavat erittäin tehokkaan hiukkaskokojen pienentämisen, nanodispersiota ja emulgointia hallitun, korkean intensiteetin ultraäänikavitaation avulla. Nämä sekä tutkimus- että teollisuuskäyttöön suunnitellut järjestelmät hajottavat luotettavasti agglomeraatteja, hienontavat jauheita ja luovat homogeenisia suspensioita lääke-, kosmetiikka-, nanomateriaali- ja erikoiskemikaalialoilla.
Karkeasta jauheesta tasakokoisiksi mikro- ja nanopartikkeleiksi
Hielscherin anturityyppiset ultraäänilaitteet mahdollistavat tehokkaan ja tarkasti säädettävän märkäjauhamisen ja hienojauhamisen – ilman helmiä, palloja tai muita jauhatusaineita. Tuottaa homogeenisia, korkean kiintoainepitoisuuden omaavia lietteitä, joiden hiukkaskokojakauma on kapea, samalla kun prosessointiaikaa lyhennetään ja energiankulutusta vähennetään.
Hyödyntämällä tarkkaa amplitudin säätöä ja edistyksellistä akustisen aallon etenemistä ultraäänilaitteet tuottavat tasalaatuisia tuloksia minimaalisella lämpövaikutuksella, mikä suojaa herkkiä yhdisteitä ja maksimoi samalla tuotantokapasiteetin ja toistettavuuden. Tutustu siihen, kuinka ultraäänijauhaminen voi tehostaa formulaatioprosessiasi ja parantaa tuotteen suorituskykyä.
Kenelle ultraäänimärkäjauhaminen sopii?
- Valmistajat, jotka tarvitsevat hallittua hiukkasten pienentämistä mikronin tai nanometrin kokoluokkaan
- Pigmenttien, musteiden, maalien ja korkean suorituskyvyn pinnoitteiden valmistajat
- Keraamisten, mineraalisten, sementtisten ja metallioksidisten materiaalien käsittelylaitteet
- Hienojakoisia suspensioita kehittävät lääke- ja kosmetiikkakehittäjät
- Akku-, katalyytti- ja kehittyneiden materiaalien valmistajat
- Yritykset, jotka käsittelevät erittäin tiheää tai viskoosia lietettä
- Laboratoriot, jotka kehittävät skaalautuvia hiukkaskokojen pienentämisprosesseja
- Valmistajat, jotka haluavat kapean ja tasaisen hiukkaskokojakauman
- Tuotantotoiminnot, joissa halutaan välttää jauhamishelmiä tai -palloja aiheuttamaa likaantumista
- Tuottajat, joiden tavoitteena on lyhentää jauhamisaikaa, vähentää energiankulutusta ja puhdistustarpeita
Kerro meille käytettävästä materiaalista, kiintoainepitoisuudesta ja tavoitellusta hiukkaskoosta. Ultraäänikäsittelyn asiantuntijatiimimme suosittelee sinulle ultraäänikäsittelyjärjestelmää, jolla hiukkasten jauhamista voidaan tehostaa.
Teollisuuskäyttöön tarkoitettu 16 000 watin ultraäänilaite UIP16000hdT pigmenttien ja nanohiukkasten märkäjauhamiseen
Hiukkaskokojen hallittu pienentäminen tehoultraäänellä
Hiukkasten koon pienentäminen mikronien tai nanometrien luokkaan voi muuttaa formulaatiota merkittävästi. Hienommat hiukkaset voivat parantaa reaktiivisuutta, stabiilisuutta, pinta-alaa, optisia ominaisuuksia ja lopputuotteen suorituskykyä. Perinteiset pallo-, helmi- ja väliainejauhatusmenetelmät voivat kuitenkin tuottaa kulumishiukkasia, vaatia työlästä väliaineen erottelua ja olla vaikeita toteuttaa tasalaatuisesti korkeilla kiintoainepitoisuuksilla. Ultraäänimärkäjauhaminen tarjoaa puhtaan ja hallittavan vaihtoehdon.
Hielscherin anturityyppiset ultraäänilaitteet välittävät erittäin voimakasta ultraääntä suoraan nesteeseen tai lietteeseen. Vaihtelevat paineaallot aiheuttavat akustista kavitaatiota: mikroskooppisen pienet kuplat muodostuvat ja romahtavat äärimmäisen voimakkaasti, mikä synnyttää suurinopeuksisia nestesuihkuja, paineaaltoja ja voimakkaita leikkausvoimia. Nämä voimat kiihdyttävät suspensiossa olevia hiukkasia törmäämään toisiinsa. Tästä seuraavat hiukkasten väliset törmäykset, pirstoutuminen ja pinnan eroosio vähentävät agglomeraatteja – ja riittävän voimakkaissa olosuhteissa primaarihiukkaset – mikro- ja nanokokoon.
Ultraäänijauhettu alumiinitrihydraatti
AL(OH)3:n toimitti Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, USA. AL(OH)3 tunnetaan myös nimillä alumiinitrihydroksidi (ATH-sarja), Bayer-hydratoitu alumiinioksidi, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hydragylliitti tai gibbsiitti. Sen Mohsin kovuus on’ kovuus 2,5–3,5.
Ultraääni läpivirtausreaktorit nanohiukkaslietteen teolliseen inline-tuotantoon.
Tarkka, toistettava ja tasainen hiukkaskokojakauma
Ultraäänijauhaminen on erittäin joustavasti säädettävissä. Käyttäjät voivat säätää amplitudia, energian syöttöä, painetta, lämpötilaa, viipymäaikaa ja virtausnopeutta materiaalin ja tavoitellun hiukkaskoon mukaan. Tämän ansiosta prosessi sopii kaikkeen hellävaraisesta agglomeraation purkamisesta intensiiviseen hienojauhamiseen. Kierrätys- ja inline-virtauskennoasetukset altistavat lietteen tasaisesti kavitaatioalueelle, mikä tukee toistettavia tuloksia sekä kapeaa ja homogeenista hiukkaskokojakaumaa.
Tällainen hallintataso on arvokasta pigmenttien, musteiden, pinnoitteiden, keraamisten materiaalien, metallioksidien, mineraalien, katalyyttien, lääkeaineiden ja muiden edistyneiden materiaalien osalta, joissa liian suuret hiukkaset tai laaja kokojakauma voivat heikentää laatua. Laboratoriossa määritetyt prosessiparametrit voidaan siirtää koe- ja teolliseen tuotantoon, mikä mahdollistaa järjestelmällisen kehittämisen ja tuotannon laajentamisen.
Korkean kiintoainepitoisuuden käsittely ilman jauhamisvälineitä
Koska hiukkasten pienentäminen perustuu kavitaatioon ja hiukkasten välisiin törmäyksiin, laitteessa ei tarvita helmiä, helmiäisiä tai jauhatuspalloja. Jauhatusvälineiden poistaminen eliminoi mahdollisen saastumislähteen ja poistaa tarpeen ostaa, puhdistaa, vaihtaa ja erottaa välineitä valmiista lietteestä. Yksinkertainen, nesteen kanssa kosketuksissa oleva rakenne helpottaa myös puhdistusta ja tuotevaihtoa.
Hielscherin ultraäänikäsittelylaitteet pystyvät käsittelemään erittäin tiheitä ja viskooseja lietteitä. Korkea kiintoainepitoisuus tarkoittaa vähemmän käsiteltävää nestettä ja monissa tapauksissa vähemmän jatkokäsittelyä, kuten tiivistämistä tai kuivausta. Se voi myös vahvistaa hiukkasten välistä jauhatusvaikutusta lisäämällä hiukkasten törmäysten tiheyttä. Tämä yhdistelmä tekee ultraäänijauhatuksesta erityisen houkuttelevan ratkaisun tiivistetyille masterbatch-seoksille ja tuotantomittakaavan suspensioille.
Mikroskooppikuvat, jotka esittävät öljypohjaisten magenta-pigmenttien ultraäänijauhamisen etenemistä
Esimerkkejä: Nanopartikkelien märkäjauhaminen tehoultraäänellä
Ultraäänijauhaminen soveltuu erityisen hyvin mikronikokoisten ja nanokokoisien materiaalien, kuten keraamien, alumiinioksiditrihydraatin, bariumsulfaatin, kalsiumkarbonaatin ja metallioksidien, käsittelyyn. Alla olevissa taulukoissa on mikroskooppikuvia alumiinioksiditrihydraatin (150 mikronista 10 mikroniin), keraamisten materiaalien (30 mikronista 2 mikroniin) ja natriumkarbonaatin (70 mikronista 3 mikroniin) jauhamisesta. Tämän sivun mikroskooppikuvat esittävät ultraäänijauhamisen etenemistä hammaskeramiikan, magenta-pigmenttien, natriumkarbonaatin ja hydratoidun alumiinioksidin esimerkkien avulla.
Mikroskooppikuvat, jotka esittävät natriumkarbonaatin (Na₂CO₃) ultraäänijauhamisen etenemistä isopropanolissa.
Grindometrin sonikoitu liitumaali osoittaa pigmenttien täysin tasaisen deagglomeraatio- ja hiukkaskokojakauman
Ultraäänidispersio varmistaa tehokkaan hiukkaskoon pienentämisen ja hiilimustien pigmenttien tasaisen jakautumisen UV-musteessa.
Enemmän tuotosta jokaisessa käsittelyvaiheessa
Ultraäänienergia johdetaan suoraan lietteeseen, jossa hiukkaskoko pienenee. Nopeat kavitaatiovoimat voivat lyhentää jauhatusjaksoja, kun taas sähköenergian tehokas muuntaminen mekaaniseksi liikkeeksi voi vähentää energiankulutusta verrattuna perinteisiin jauhatuslaitteisiin. Jatkuva linjakäsittely tukee entisestään suurta tuotantokapasiteettia, tasalaatuista laatua ja integrointia olemassa oleviin tuotantolinjoihin.
Valmistajille, jotka tavoittelevat pienempiä hiukkasia, tiukempia jakaumia, puhtaampaa prosessointia ja tehokasta tuotannon laajentamista, Hielscherin anturityyppiset ultraäänilaitteet tekevät märkäjauhamisesta tarkasti suunnitellun prosessin – laboratoriokokeista jatkuvaan teolliseen tuotantoon.
Jatkuva toiminta suurta läpimenoa varten
Ultraäänihomogenisaattorit ovat erittäin helppoja asentaa ja käyttää. Vain kaksi osaa on kosketuksissa jauhettavan materiaalin kanssa: titaaninen sonotrodi ja ruostumattomasta teräksestä valmistettu virtauskammio. Ultraäänivirtauskammion yksinkertaisen rakenteen ansiosta laitteet voidaan puhdistaa nopeasti. Koska Hielscherin ultraäänilaitteet muuntavat sähköenergian mekaaniseksi energiaksi erittäin tehokkaasti, ultraäänijauhamiseen tarvitaan yleensä vähemmän tehoa kuin perinteisiin jauhamislaitteisiin.
Teollisuuskäyttöinen ultraäänilaite UIP6000hdT (6 kW) vesipohjaisten maali- ja pinnoitevalmisteiden pigmenttien dispergointiin ja mikrobien sterilointiin samanaikaisesti [/caption]Hiukkasten hienontaminen perustuu voimakkaaseen ultraäänikavitaatioon. Kun nesteitä käsitellään voimakkaalla ultraäänellä, nesteeseen leviävät ääniaallot aiheuttavat vuorottelevia korkeapaine- (puristus) ja matalapaine- (harvennus) jaksoja, joiden taajuus riippuu äänen taajuudesta. Matalapainejakson aikana voimakkaat ultraääniaallot muodostavat nesteeseen pieniä tyhjiökuplia tai onteloita. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää kykene absorboimaan energiaa, ne romahtavat voimakkaasti korkeapainejakson aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi.
Kavitaatiokuplien luhistuminen johtaa mikroturbulensseihin ja mikrosuihkuihin, joiden nopeus on jopa 1000 km / h. Suuret hiukkaset altistuvat pinnan eroosiolle (ympäröivän nesteen kavitaatioromahduksen kautta) tai hiukkaskoon pienenemiselle (hiukkasten välisen törmäyksen aiheuttaman fission tai pinnalle muodostuneiden kavitaatiokuplien romahtamisen vuoksi). Tämä johtaa diffuusion, massansiirtoprosessien ja kiinteän faasin reaktioiden voimakkaaseen kiihtymiseen kiteisen koon ja rakenteen muuttumisen vuoksi.
Jauheiden dispergointiin ja märkäjauhamiseen tarkoitettuja ultraäänikäsittelylaitteita ja virtauskammioita on saatavilla sekä laboratorio- että tuotantokäyttöön. Teollisuusjärjestelmät voidaan helposti jälkiasentaa toimimaan tuotantolinjan yhteydessä. Tämän prosessin tutkimukseen ja testaamiseen sekä moniin muihin sonokemiallisiin prosesseihin suosittelemme laboratoriolaitteitamme tai UIP1000hd-mallia.
Nanotimantit voivat olla tehokkaita ja luotettavasti dispergoituja Hielscher-ultraäänilaitteilla.
Usein kysyttyjä kysymyksiä ultraäänimärkäjauhamisesta
Mitä on ultraäänimärkäjauhaminen?
Ultraäänimärkäjauhaminen on hiukkaskokoa pienentävä prosessi, jossa nestemäiseen lietteeseen kohdistetaan suuritehoista ultraääntä. Akustinen kavitaatio tuottaa voimakkaita leikkausvoimia, paineaaltoja ja hiukkasten välisiä törmäyksiä, jotka hajottavat agglomeraatit ja pienentävät kiinteät hiukkaset mikronin tai nanometrin kokoisiksi.
Miten koettimella varustettu ultraäänilaite pienentää hiukkaskokoa?
Ultraäänisondi, eli sonotrodi, siirtää voimakasta ultraääntä suoraan lietteeseen. Kavitatiekuplat muodostuvat ja romahtavat, jolloin syntyy suurinopeuksisia nestesuihkuja, jotka kiihdyttävät hiukkasia törmäämään toisiinsa. Nämä törmäykset aiheuttavat hiukkasten pirstoutumista, pinnan eroosiota ja tehokasta agglomeraation hajottamista.
Voidaanko ultraäänimärkäjauhamisella tuottaa nanohiukkasia?
Kyllä. Hielscherin anturityyppisiä ultraäänilaitteita voidaan käyttää hallittuun mikronisointiin ja nanokokoistamiseen. Saavutettavissa oleva hiukkaskoko riippuu materiaalista, alkuperäisestä hiukkaskoolta, lietteen koostumuksesta, kiintoainepitoisuudesta, käsittelyintensiteetistä, lämpötilasta, paineesta ja ultraäänikäsittelyajasta.
Mitä materiaaleja voidaan käsitellä ultraäänijauhamisella?
Ultraäänimärkäjauhaminen soveltuu pigmenttien, musteiden, keraamisten materiaalien, metallioksidien, mineraalien, sementin, katalyyttien, akkumateriaalien, lääkkeiden, kosmetiikan ja edistyneiden nanomateriaalien käsittelyyn. Menetelmällä voidaan käsitellä hiukkasia, jotka ovat suspendoituneet veteen, liuottimiin, öljyihin, hartseihin ja muihin yhteensopiviin nestemäisiin väliaineisiin.
Tarvitaanko ultraäänijauhamisessa jauhamishelmiä tai -palloja?
Ei. Ultraäänipohjaisessa hiukkaskokojen pienentämisessä ei tarvita perinteisiä jauhatusvälineitä. Jauhatusvaikutus syntyy kavitaation aiheuttamien hiukkasten törmäysten seurauksena. Kun helmiä ja palloja ei käytetä, välineistä johtuvan saastumisen riski pienenee, eikä välineiden erottelua, puhdistusta, vaihtoa tai hävittämistä tarvita.
Voivatko Hielscherin ultraäänikäsittelylaitteet käsitellä lietteitä, joissa on suuri kiintoainepitoisuus?
Kyllä. Hielscherin ultraääniprosessorit pystyvät käsittelemään erittäin tiheitä ja viskooseja suspensioita. Korkea kiintoainepitoisuus vähentää käsiteltävän nesteen tilavuutta ja voi tehostaa hiukkasten välisiä törmäyksiä, minkä vuoksi ultraäänijauhaminen on houkutteleva vaihtoehto tiheiden lietteiden ja masterbatch-seosten tuotannossa.
Saako ultraäänijauhamisella aikaan kapean raekokojakauman?
Tasainen altistuminen ultraäänikavitaatioalueelle edistää kapeaa ja homogeenista hiukkaskokojakaumaa. Kierrätys ja jatkuva linjakäsittely auttavat varmistamaan koko lietteen tasaisen käsittelyn ja vähentävät samalla liian suurten tai puutteellisesti käsiteltyjen hiukkasten määrää.
Mitä ultraäänijauhatuksen parametreja voidaan säätää?
Tärkeitä parametreja ovat ultraääniamplitudi, syötetty energia, paine, lämpötila, virtausnopeus, viipymäaika ja kiintoainepitoisuus. Tarkka säätö mahdollistaa prosessin sovittamisen hellävaraiseen agglomeraation hajottamiseen, intensiiviseen hienojauhamiseen tai toistettavaan nanodispersiin.
Onko ultraäänikosteajelu energiatehokasta?
Ultraäänienergia siirretään suoraan lietteeseen, jossa hiukkaset hienonnetaan. Nopeat kavitaatiovoimat voivat lyhentää käsittelyjaksoja ja vähentää energiankulutusta verrattuna joihinkin perinteisiin jauhamismenetelmiin. Todellinen energiankulutus riippuu materiaalista, tavoitellusta hiukkaskoosta, tuotantomäärästä ja prosessin kokoonpanosta.
Voidaanko ultraäänijauhatusta käyttää jatkuvasti?
Kyllä. Hielscherin ultraäänilaitteet voidaan integroida virtauskenno-reaktoreihin jatkuvaa inline-märkäjauhamista varten. Inline-käsittely mahdollistaa hallitun viipymäajan, tasaisen tuotelaadun, suuren tuotantokapasiteetin sekä helpon integroinnin olemassa oleviin teollisiin tuotantolinjoihin.
Voidaanko ultraäänijauhatusprosessia laajentaa?
Ultraäänijauhatusta voidaan kehittää laboratoriotason ultraäänilaitteella ja siirtää pilottitasolle tai teollisuuskäyttöön määriteltyjen prosessiparametrien ja tietyn energian syötön avulla. Hielscher tarjoaa anturityyppisiä ultraäänilaitteita pienimuotoiseen testaukseen, prosessikehitykseen ja jatkuvaan kaupalliseen tuotantoon.
Miten valitsen sopivan Hielscher-ultraäänilaitteen?
Sonicatorin valinta riippuu materiaalista, lietteen tilavuudesta, kiintoainepitoisuudesta, viskositeetista, lähtöhiukkaskoolta, vaaditusta lopullisesta hiukkaskoolta sekä halutusta tuotantokapasiteetista. Jauhatuskokeen avulla voidaan määrittää optimaalinen amplitudi, energiantarve, anturin muoto sekä erä- tai linjakonfiguraatio.
Tutustu tarkemmin Hielscherin prosessilaboratorioon, jossa voit suorittaa toteutettavuustestejä ja prosessien optimointia.
Kirjallisuus / Viitteet
- 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
Mikroskooppikuvat, jotka esittävät hammaskeramiikan ultraäänijauhamisen etenemistä