Ultrazvučno mokro mljevenje: precizno oblikovane fine čestice

Hielscher sonikatori učinkovita su oprema za mljevenje koja omogućuje visokoučinkovito smanjenje veličine čestica, nanodispergiranje i emulgiranje kontroliranom ultrazvučnom kavitacijom visokog intenziteta. Projektirani za istraživanja i industrijske razmjere, ovi sustavi pouzdano razbijaju aglomerate, usitnjavaju prahove i stvaraju homogene suspenzije u području farmaceutskih proizvoda, kozmetike, nanomaterijala i specijalnih kemikalija.

Od grubog praha do ujednačenih mikročestica i nanočestica

Hielscher sonikatori sa sondom omogućuju snažno, precizno kontrolirano mokro mljevenje i fino usitnjavanje – bez kuglica, kugli ili drugih medija za mljevenje. Proizvodite homogene suspenzije s visokim udjelom krutih tvari i uskom raspodjelom veličine čestica uz skraćivanje vremena obrade i smanjenje energetskih potreba.
Zahvaljujući preciznoj kontroli amplitude i naprednom širenju akustičnih valova, sonikatori postižu ujednačene rezultate uz minimalan toplinski utjecaj, čuvajući osjetljive spojeve i istodobno maksimizirajući kapacitet obrade i ponovljivost. Otkrijte kako ultrazvučno mljevenje može pojednostavniti vaš tijek rada pri razvoju formulacija i poboljšati svojstva proizvoda.

Tko bi trebao primjenjivati ultrazvučno mokro mljevenje?

• Proizvođači kojima je potrebno kontrolirano smanjenje čestica na mikrometarsku ili nanometarsku veličinu
• Proizvođači pigmenata, tinti, boja i premaza visokih performansi
• Prerađivači keramike, minerala, cementa i metalnih oksida
• Stručnjaci za formuliranje farmaceutskih i kozmetičkih proizvoda koji razvijaju fine suspenzije
• Proizvođači baterija, katalizatora i naprednih materijala
• Tvrtke koje obrađuju visokokoncentrirane ili viskozne suspenzije
• Laboratoriji koji razvijaju procese smanjenja veličine čestica prenosive na veće razmjere
• Proizvođači koji žele usku, ujednačenu raspodjelu veličine čestica
• Pogoni koji žele izbjeći kontaminaciju kuglicama ili kuglama za mljevenje
• Proizvođači kojima je cilj smanjiti vrijeme mljevenja, potrošnju energije i potrebe za čišćenjem

Kontrolirano smanjenje veličine čestica ultrazvukom velike snage

Smanjenje čestica na mikrometarski ili nanometarski raspon može preobraziti formulaciju. Finije čestice mogu poboljšati reaktivnost, stabilnost, površinu, optička svojstva i svojstva konačnog proizvoda. Međutim, konvencionalni mlinovi s kuglama, kuglicama i drugim medijima za mljevenje mogu unijeti čestice nastale trošenjem, zahtijevati mukotrpno odvajanje medija za mljevenje i teško osiguravati ujednačenu obradu pri visokim koncentracijama krutih tvari. Ultrazvučno mokro mljevenje nudi čistu alternativu kojom se može upravljati.
Hielscher sonikatori sa sondom prenose ultrazvuk visokog intenziteta izravno u tekućinu ili suspenziju. Izmjenični tlačni valovi stvaraju akustičnu kavitaciju: mikroskopski mjehurići nastaju i urušavaju se iznimnim intenzitetom, stvarajući brze mlazove tekućine, udarne valove i snažne smične sile. Te sile ubrzavaju suspendirane čestice jedne prema drugima. Nastali sudari među česticama, fragmentacija i površinska erozija smanjuju aglomerate – a pri dovoljno intenzivnim uvjetima i primarne čestice – na mikrometarske i nanometarske veličine.
 

Ultrazvučno mljeveni trihidrat aluminijeva oksida
AL(OH)3 isporučila je tvrtka Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, SAD. AL(OH)3 poznat je i kao aluminijev trihidroksid serije ATH, Bayerov hidratizirani aluminijev oksid, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hidrargilit ili gibsit. Njegova tvrdoća prema Mohsovoj ljestvici iznosi od 2,5 do 3,5.

Precizna, ponovljiva i ujednačena raspodjela veličine čestica

Ultrazvučno mljevenje omogućuje visok stupanj prilagodbe. Operateri mogu regulirati amplitudu, unos energije, tlak, temperaturu, vrijeme zadržavanja i protok kako bi ih prilagodili materijalu i ciljanoj veličini čestica. To čini postupak prikladnim za sve, od blage deaglomeracije do intenzivnog finog mljevenja. Recirkulacija i konfiguracije s protočnim ćelijama u liniji ravnomjerno izlažu suspenziju zoni kavitacije, omogućujući ponovljive rezultate i usku, homogenu raspodjelu veličine čestica.
Ta razina kontrole vrijedna je za pigmente, tinte, premaze, keramiku, metalne okside, minerale, katalizatore, farmaceutske proizvode i druge napredne materijale kod kojih prevelike čestice ili široka raspodjela mogu narušiti kvalitetu. Procesni parametri utvrđeni u laboratoriju mogu se prenijeti u pilot-proizvodnju i industrijsku proizvodnju, omogućujući sustavan razvoj i povećanje mjerila.

Obrada pri visokom udjelu krutine bez sredstava za mljevenje

Budući da se smanjenje veličine čestica temelji na kavitaciji i sudarima samih čestica, nisu potrebne kuglice, perle ni kugle za mljevenje. Uklanjanjem sredstava za mljevenje izbjegava se potencijalni izvor onečišćenja te nestaje potreba za njihovom nabavom, čišćenjem, zamjenom i odvajanjem iz gotove suspenzije. Jednostavna geometrija površina u dodiru s tekućinom također olakšava čišćenje i prelazak na drugi proizvod.
Hielscher sonikatori mogu obrađivati visoko koncentrirane i viskozne suspenzije. Visok udio krutine znači manju količinu tekućine kojom treba rukovati i, u mnogim slučajevima, manju potrebu za naknadnim koncentriranjem ili sušenjem. Također može pojačati učinak mljevenja međusobnim djelovanjem čestica povećanjem učestalosti njihovih sudara. Ta kombinacija čini ultrazvučno mljevenje posebno privlačnim za koncentrirane predsmjese i suspenzije u proizvodnom mjerilu.
 

Mikroskopske snimke koje prikazuju napredak ultrazvučnog mljevenja magenta pigmenata na uljnoj osnovi

Primjeri: mokro mljevenje nanočestica ultrazvukom velike snage

Ultrazvučno mljevenje posebno je prikladno za obradu materijala mikrometarskih i nanometarskih veličina, kao što su keramika, aluminijev oksid trihidrat, barijev sulfat, kalcijev karbonat i metalni oksidi. Tablice u nastavku prikazuju mikroskopske snimke mljevenja aluminijeva oksida trihidrata (sa 150 mikrona na 10 mikrona), keramike (s 30 mikrona na 2 mikrona) i natrijeva karbonata (sa 70 mikrona na 3 mikrona). Mikroskopske snimke na ovoj stranici prikazuju napredak ultrazvučnog mljevenja na primjerima dentalne keramike, magenta pigmenata, natrijeva karbonata i hidratiziranog aluminijeva oksida.
 

Mikroskopske snimke koje prikazuju napredak ultrazvučnog mljevenja natrijeva karbonata (Na2CO3) u izopropanolu.

Veći učinak u svakom koraku obrade

Ultrazvučna energija prenosi se izravno u suspenziju, gdje dolazi do smanjenja veličine čestica. Brzo djelovanje kavitacijskih sila može skratiti cikluse mljevenja, dok učinkovita pretvorba električne energije u mehaničko gibanje može smanjiti potrebu za energijom u usporedbi s konvencionalnom opremom za mljevenje. Kontinuirana obrada u liniji dodatno omogućuje visok proizvodni kapacitet, ujednačenu kvalitetu i integraciju u postojeće proizvodne linije.
Za proizvođače koji traže manje čestice, uže raspodjele, čišću obradu i učinkovito povećanje mjerila, Hielscher sonikatori sa sondom pretvaraju mokro mljevenje u precizno projektiran postupak – od laboratorijskih ispitivanja do kontinuirane industrijske proizvodnje.

Kontinuirani rad za visok proizvodni kapacitet

Ultrazvučni homogenizatori vrlo se jednostavno ugrađuju i upotrebljavaju. Samo su dva dijela u dodiru s materijalom koji se melje: titanska sonotroda i protočna ćelija od nehrđajućeg čelika. Zbog jednostavne konstrukcije ultrazvučne protočne ćelije uređaji se mogu brzo očistiti. Budući da Hielscher ultrazvučni uređaji imaju vrlo visoku učinkovitost pretvorbe električne energije u mehaničku, za ultrazvučno mljevenje općenito je potrebna manja snaga nego za konvencionalnu opremu za mljevenje.

Industrijski sonikator UIP6000hdT (6kW) za istodobno dispergiranje pigmenata i mikrobnu sterilizaciju formulacija boja i premaza na bazi vode Učinak mljevenja čestica temelji se na intenzivnoj ultrazvučnoj kavitaciji. Pri sonikaciji tekućina visokim intenzitetima zvučni valovi koji se šire kroz tekuće medije uzrokuju izmjenične cikluse visokog tlaka (kompresije) i niskog tlaka (razrjeđenja), čija učestalost ovisi o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dosegnu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, snažno kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ta se pojava naziva kavitacijom.
Implozija kavitacijskih mjehurića stvara mikroturbulencije i mikromlazove brzine do 1000km/hr. Velike čestice podliježu površinskoj eroziji (zbog kolapsa kavitacijskih mjehurića u okolnoj tekućini) ili smanjenju veličine (zbog cijepanja uslijed međusobnih sudara čestica ili kolapsa kavitacijskih mjehurića nastalih na površini). To dovodi do naglog ubrzanja difuzije, procesa prijenosa mase i reakcija u čvrstoj fazi zbog promjene veličine i strukture kristalita.

Ultrazvučni procesori i protočne ćelije za dispergiranje i mokro mljevenje prahova dostupni su za laboratorijsku i proizvodnu primjenu. Industrijski sustavi mogu se jednostavno naknadno prilagoditi za rad u proizvodnoj liniji. Za istraživanje i ispitivanje ovog procesa, kao i za mnoge sonokemijske procese, preporučujemo naše laboratorijske uređaje ili UIP1000hd.

Nanodijamanti se mogu učinkovito i pouzdano dispergirati s pomoću Hielscher ultrazvučnih uređaja.

Literatura / Reference

• 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.