טחינה רטובה אולטרסונית: חלקיקים עדינים, מהונדסים במדויק

מכשירי הסוניקציה של Hielscher הם ציוד טחינה יעיל להקטנת גודל חלקיקים ביעילות גבוהה, לפיזור ננומטרי וליצירת תחליבים באמצעות קוויטציה אולטרסונית מבוקרת בעוצמה גבוהה. מערכות אלה, שתוכננו הן למחקר והן לקנה מידה תעשייתי, מפרקות באופן אמין אגלומרטים, מעדנות אבקות ויוצרות תרחיפים הומוגניים בתחומי התרופות, הקוסמטיקה, הננו-חומרים והכימיקלים המיוחדים.

מאבקה גסה למיקרו-חלקיקים ולננו-חלקיקים אחידים

מכשירי הסוניקציה של Hielscher בעלי גשוש מספקים טחינה רטובה וטחינה דקה בעוצמה גבוהה ובשליטה מדויקת – ללא חרוזים, כדורים או אמצעי טחינה אחרים. הפיקו תרחיפים הומוגניים בעלי תכולת מוצקים גבוהה והתפלגות צרה של גודל החלקיקים, תוך קיצור זמן העיבוד והפחתת דרישת האנרגיה.
באמצעות בקרה מדויקת של המשרעת והתפשטות מתקדמת של גלים אקוסטיים, מכשירי הסוניקציה משיגים תוצאות אחידות עם השפעה תרמית מזערית, תוך שימור תרכובות רגישות ומקסום התפוקה וההדירות. גלו כיצד טחינה אולטרסונית יכולה לייעל את תהליך העבודה שלכם בפיתוח פורמולציות ולשפר את ביצועי המוצר.

למי מתאימה טחינה רטובה אולטרסונית?

• יצרנים הזקוקים להקטנה מבוקרת של חלקיקים לגודל מיקרוני או ננומטרי
• יצרני פיגמנטים, דיו, צבעים וציפויים בעלי ביצועים גבוהים
• מעבדי קרמיקה, מינרלים, מלט ותחמוצות מתכת
• מפתחי פורמולציות לתרופות ולקוסמטיקה המפתחים תרחיפים של חלקיקים עדינים
• יצרני סוללות, זרזים וחומרים מתקדמים
• חברות המעבדות תרחיפים בריכוז גבוה מאוד או בעלי צמיגות גבוהה
• מעבדות המפתחות תהליכי הקטנת גודל חלקיקים הניתנים להגדלת קנה מידה
• יצרנים המבקשים להשיג התפלגות צרה ואחידה של גודל החלקיקים
• מפעלי ייצור המעוניינים להימנע מזיהום שמקורו בחרוזי טחינה או בכדורי טחינה
• יצרנים השואפים לצמצם את זמן הטחינה, את צריכת האנרגיה ואת דרישות הניקוי

הקטנה מבוקרת של גודל חלקיקים באמצעות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה

הקטנת חלקיקים לטווח המיקרוני או הננומטרי יכולה לשנות באופן מהותי פורמולציה. חלקיקים עדינים יותר יכולים לשפר את התגובתיות, היציבות, שטח הפנים, התכונות האופטיות וביצועי המוצר הסופי. עם זאת, מטחנות קונבנציונליות המשתמשות בכדורים, בחרוזים ובאמצעי טחינה אחרים עלולות להחדיר חלקיקי שחיקה, להצריך הפרדה עתירת עבודה של אמצעי הטחינה ולהתקשות לספק טיפול עקבי בריכוזי מוצקים גבוהים. טחינה רטובה אולטרסונית מציעה חלופה נקייה וניתנת לבקרה.
מכשירי הסוניקציה של Hielscher בעלי גשוש מעבירים אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ישירות לתוך נוזל או תרחיף. גלי הלחץ המתחלפים יוצרים קוויטציה אקוסטית: בועות מיקרוסקופיות נוצרות וקורסות בעוצמה קיצונית, תוך יצירת סילוני נוזל במהירות גבוהה, גלי הלם וכוחות גזירה חזקים. כוחות אלה מאיצים חלקיקים מרחפים זה לעבר זה. ההתנגשויות בין החלקיקים, ההתפרקות למקטעים ושחיקת פני השטח הנובעות מכך מקטינות אגלומרטים – ובתנאים של עוצמה גבוהה דיה, גם חלקיקים ראשוניים – לגדלים מיקרוניים וננומטריים.
 

אלומינה תלת-הידרטית שנטחנה באולטרסאונד
AL(OH)3 סופק על ידי Alcoa World Alumina LLC, פיטסבורג, פנסילבניה, ארה״ב. AL(OH)3 מוכר גם בשמות אלומיניום תלת-הידרוקסידי מסדרת ATH, אלומינה ממוימת של Bayer, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, הידרגיליט או גיבסיט. קשיותו בסולם מוס היא 2.5 עד 3.5.

התפלגות מדויקת, הדירה ואחידה של גודל החלקיקים

טחינה אולטרסונית מאפשרת התאמה נרחבת של תנאי התהליך. המפעילים יכולים לשלוט במשרעת, באנרגיה המושקעת, בלחץ, בטמפרטורה, בזמן השהייה ובספיקת הזרימה כדי להתאים את התהליך לחומר ולגודל החלקיקים הרצוי. כך התהליך מתאים לכל דבר, מפירוק עדין של אגלומרטים ועד לטחינה דקה ואינטנסיבית. תצורות של סחרור חוזר ושל תאי זרימה בקו התהליך חושפות את התרחיף באופן אחיד לאזור הקוויטציה, ותומכות בקבלת תוצאות הדירות והתפלגות צרה ואחידה של גודל החלקיקים.
רמת שליטה זו חשובה לפיגמנטים, לדיו, לציפויים, לחומרים קרמיים, לתחמוצות מתכת, למינרלים, לזרזים, לתכשירים פרמצבטיים ולחומרים מתקדמים אחרים, שבהם חלקיקים גדולים מדי או התפלגות רחבה עלולים לפגוע באיכות. ניתן להעביר פרמטרים של התהליך שנקבעו במעבדה לייצור בקנה מידה ניסיוני ותעשייתי, וכך לאפשר פיתוח שיטתי והגדלת קנה המידה.

עיבוד בתכולת מוצקים גבוהה ללא אמצעי טחינה

מכיוון שהקטנת החלקיקים מונעת על ידי קוויטציה והתנגשויות בין החלקיקים עצמם, אין צורך בחרוזים, בפנינים או בכדורי טחינה. ויתור על אמצעי טחינה מונע מקור אפשרי לזיהום ומבטל את הצורך ברכישתם, בניקוים, בהחלפתם ובהפרדתם מהתרחיף המוגמר. הגאומטריה הפשוטה של החלקים הבאים במגע עם הנוזל מקלה גם על הניקוי ועל המעבר בין מוצרים.
מכשירי הסוניקציה של Hielscher יכולים לעבד תרחיפים מרוכזים מאוד וצמיגים. תכולת מוצקים גבוהה פירושה פחות נוזל שיש לטפל בו, ובמקרים רבים פחות ריכוז או ייבוש בהמשך התהליך. היא יכולה גם לחזק את השפעת הטחינה בין החלקיקים באמצעות הגברת תדירות ההתנגשויות ביניהם. שילוב זה הופך את הטחינה האולטרסונית לאטרקטיבית במיוחד עבור תרכיזי אם מרוכזים ותרחיפים בקנה מידה של ייצור.
 

תמונות מיקרוסקופ המציגות את התקדמות הטחינה האולטרסונית של פיגמנטים בצבע מג'נטה על בסיס שמן

דוגמאות: טחינה רטובה של ננו-חלקיקים באמצעות אולטרסאונד בהספק גבוה

טחינה אולטרסונית מתאימה במיוחד לעיבוד חומרים בגודל מיקרוני וננומטרי, כגון חומרים קרמיים, אלומינה טריהידרט, בריום סולפט, סידן פחמתי ותחמוצות מתכת. הטבלאות שלהלן מציגות תמונות מיקרוסקופיות של טחינת אלומינה טריהידרט (מ-150 מיקרון עד ל-10 מיקרון), חומרים קרמיים (מ-30 מיקרון עד ל-2 מיקרון) ונתרן פחמתי (מ-70 מיקרון עד ל-3 מיקרון). התמונות המיקרוסקופיות בעמוד זה מציגות את התקדמות הטחינה האולטרסונית באמצעות דוגמאות של חומרים קרמיים דנטליים, פיגמנטים בצבע מג'נטה, נתרן פחמתי ואלומינה ממוימת.
 

תמונות מיקרוסקופ המציגות את התקדמות הטחינה האולטרסונית של נתרן פחמתי (Na2CO3) באיזופרופנול.

תפוקה רבה יותר מכל שלב עיבוד

אנרגיה אולטרסונית מועברת ישירות לתוך התרחיף, שבו מתרחשת הקטנת גודל החלקיקים. כוחות קוויטציה מהירים יכולים לקצר את מחזורי הטחינה, וההמרה היעילה של אנרגיה חשמלית לתנועה מכנית יכולה להפחית את צריכת האנרגיה בהשוואה לציוד טחינה קונבנציונלי. עיבוד רציף בקו התהליך תומך גם בתפוקה גבוהה, באיכות עקבית ובשילוב בקווי ייצור קיימים.
עבור יצרנים המבקשים חלקיקים קטנים יותר, התפלגויות צרות יותר, עיבוד נקי יותר והגדלה יעילה של קנה המידה, מכשירי הסוניקציה של Hielscher בעלי גשוש הופכים את הטחינה הרטובה לתהליך המתוכנן הנדסית בדיוק רב – מניסויים במעבדה ועד לייצור תעשייתי רציף.

פעולה רציפה לתפוקה גבוהה

הומוגנייזרים אולטרסוניים קלים מאוד להתקנה ולהפעלה. רק שני חלקים באים במגע עם החומר המיועד לטחינה: הסונוטרודה מטיטניום ותא הזרימה מפלדת אל־חלד. הודות למבנה הפשוט של תא הזרימה האולטרסוני, ניתן לנקות את היחידות במהירות. מכיוון שלמכשירים האולטרסוניים של Hielscher יש נצילות גבוהה מאוד בהמרת אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית, בדרך כלל נדרש לטחינה אולטרסונית הספק נמוך יותר מזה הנדרש לציוד טחינה קונבנציונלי.

מכשיר סוניקציה תעשייתי UIP6000hdT (6kW) לפיזור פיגמנטים ולעיקור מיקרוביאלי בו־זמניים של פורמולציות צבע וציפויים על בסיס מים אפקט טחינת החלקיקים מבוסס על קוויטציה אולטרסונית עזה. בעת סוניקציה של נוזלים בעוצמות גבוהות, גלי הקול המתפשטים בתווך הנוזלי יוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (הקלשה), בקצבים התלויים בתדירות. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלים אולטרסוניים בעוצמה גבוהה יוצרים בנוזל בועות ואקום קטנות או חללים. כאשר הבועות מגיעות לנפח שבו אינן יכולות עוד לספוג אנרגיה, הן קורסות בעוצמה במהלך מחזור של לחץ גבוה. תופעה זו נקראת קוויטציה.
הקריסה פנימה של בועות הקוויטציה יוצרת מערבולות זעירות וסילונים זעירים במהירויות של עד 1000km/hr. חלקיקים גדולים עוברים שחיקה של פני השטח (באמצעות קריסת בועות קוויטציה בנוזל שסביבם) או הקטנה של גודל החלקיקים (עקב התפצלות הנגרמת מהתנגשות בין חלקיקים או מקריסת בועות קוויטציה שנוצרו על פני השטח). הדבר מוביל להאצה חדה של הדיפוזיה, של תהליכי מעבר מסה ושל תגובות בפאזה מוצקה, עקב שינויים בגודל הגבישונים ובמבנה שלהם.

מעבדים אולטרסוניים ותאי זרימה לפיזור ולטחינה רטובה של אבקות זמינים לשימוש במעבדה ובייצור. ניתן להתאים בקלות את המערכות התעשייתיות לעבודה בתוך קו הייצור. לצורך מחקר ובדיקה של תהליך זה, וכן לתהליכים סונוכימיים רבים, אנו ממליצים על מכשירי המעבדה שלנו או על UIP1000hd.

ניתן לפזר ננו־יהלומים ביעילות ובאופן אמין באמצעות מכשירי הסוניקציה של Hielscher.

ספרות / מקורות

• 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.

UIP1000hd

• 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.