Macinazione a umido ad ultrasuoni: particelle fini, realizzate con precisione

I sonicatori Hielscher sono apparecchiature di macinazione efficienti per la riduzione delle dimensioni delle particelle, la nanodispersione e l’emulsificazione ad alta efficienza, grazie alla cavitazione ultrasonica controllata e ad alta intensità. Progettati sia per la ricerca che per l’applicazione su scala industriale, questi sistemi sono in grado di disgregare in modo affidabile gli agglomerati, affinare le polveri e creare sospensioni omogenee nei settori farmaceutico, cosmetico, dei nanomateriali e dei prodotti chimici speciali.

Dalla polvere grossolana alle microparticelle e nanoparticelle uniformi

I sonicatori a sonda Hielscher garantiscono una macinazione a umido e una macinazione fine potenti e controllabili con precisione – senza sfere, palline o altri mezzi di macinazione. Consente di ottenere sospensioni omogenee ad alto contenuto di solidi con distribuzioni granulometriche ristrette, riducendo al contempo i tempi di lavorazione e il fabbisogno energetico.
Grazie al controllo preciso dell'ampiezza e alla propagazione avanzata delle onde acustiche, i sonicatori garantiscono risultati uniformi con un impatto termico minimo, preservando i composti sensibili e massimizzando al contempo la produttività e la riproducibilità. Scoprite come la macinazione a ultrasuoni possa ottimizzare il vostro flusso di lavoro di formulazione e migliorare le prestazioni dei prodotti.

Chi dovrebbe ricorrere alla macinazione a umido ad ultrasuoni?

• Produttori che necessitano di una riduzione controllata delle particelle di dimensioni dell'ordine dei micron o dei nanometri
• Produttori di pigmenti, inchiostri, vernici e rivestimenti ad alte prestazioni
• Processori per ceramica, minerali, cemento e ossidi metallici
• Formulatori di prodotti farmaceutici e cosmetici che sviluppano sospensioni fini
• Produttori di batterie, catalizzatori e materiali avanzati
• Aziende che trattano fanghi altamente concentrati o viscosi
• Laboratori che sviluppano processi scalabili di riduzione delle dimensioni delle particelle
• Produttori alla ricerca di una distribuzione granulometrica stretta e uniforme
• Operazioni in cui si desidera evitare la contaminazione da sfere o granuli di molatura
• Produttori che mirano a ridurre i tempi di macinazione, il consumo energetico e le operazioni di pulizia

Riduzione controllata delle dimensioni delle particelle mediante ultrasuoni ad alta potenza

La riduzione delle particelle all’ordine dei micron o dei nanometri può trasformare una formulazione. Particelle più fini possono migliorare la reattività, la stabilità, la superficie specifica, le proprietà ottiche e le prestazioni del prodotto finale. Tuttavia, i mulini convenzionali a sfere, a perline e a media possono introdurre particelle di usura, richiedono una laboriosa separazione dei media e faticano a garantire un trattamento uniforme in presenza di elevate concentrazioni di solidi. La macinazione a umido ad ultrasuoni offre un’alternativa pulita e controllabile.
I sonicatori a sonda Hielscher trasmettono ultrasuoni ad alta intensità direttamente in un liquido o in una sospensione. Le onde di pressione alternate generano cavitazione acustica: si formano e collassano bolle microscopiche con estrema intensità, generando getti di liquido ad alta velocità, onde d’urto e potenti forze di taglio. Queste forze accelerano le particelle in sospensione facendole urtare l’una contro l’altra. Le conseguenti collisioni tra le particelle, la frammentazione e l’erosione superficiale riducono gli agglomerati – e, in condizioni sufficientemente estreme, le particelle primarie – fino alle dimensioni micro e nano.
 

Allumina triidrata macinata ad ultrasuoni
L'AL(OH)₃ è stato fornito da Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, USA. L’AL(OH)₃ è noto anche come triidrossido di alluminio serie ATH, allumina idrata Bayer, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, idragillite o gibbsite. Ha una durezza secondo la scala di Mohs’ durezza compresa tra 2,5 e 3,5.

Distribuzione granulometrica precisa, ripetibile e uniforme

La macinazione a ultrasuoni è altamente regolabile. Gli operatori possono controllare l’ampiezza, l’apporto energetico, la pressione, la temperatura, il tempo di permanenza e la portata per adattare il processo al materiale e alla granulometria desiderata. Ciò rende il processo adatto a qualsiasi esigenza, dalla delicata deagglomerazione alla macinazione fine intensiva. Le configurazioni a ricircolo e con cella di flusso in linea espongono la sospensione in modo uniforme alla zona di cavitazione, garantendo risultati riproducibili e una distribuzione granulometrica ristretta e omogenea.
Questo livello di controllo è fondamentale per pigmenti, inchiostri, rivestimenti, ceramiche, ossidi metallici, minerali, catalizzatori, prodotti farmaceutici e altri materiali avanzati, nei quali la presenza di particelle sovradimensionate o una distribuzione troppo ampia possono compromettere la qualità. I parametri di processo definiti in laboratorio possono essere trasferiti alla produzione pilota e industriale, consentendo uno sviluppo sistematico e il scale-up.

Lavorazione ad alto contenuto di solidi senza sfere di macinazione

Poiché la riduzione delle particelle avviene per cavitazione e per collisioni tra le particelle stesse, non sono necessarie sfere, perle o sfere di macinazione. L’eliminazione dei mezzi di macinazione evita una potenziale fonte di contaminazione ed elimina la necessità di acquistare, pulire, sostituire e separare i mezzi dalla sospensione finale. La semplice geometria a contatto con il fluido facilita inoltre la pulizia e il cambio di prodotto.
I sonicatori Hielscher sono in grado di trattare sospensioni altamente concentrate e viscose. Un elevato contenuto di solidi comporta una minore quantità di liquido da trattare e, in molti casi, una minore concentrazione o essiccazione a valle. Può inoltre potenziare l’effetto di macinazione tra le particelle aumentando la frequenza delle collisioni tra queste ultime. Questa combinazione rende la macinazione ultrasonica particolarmente interessante per i masterbatch concentrati e le sospensioni su scala industriale.
 

Immagini al microscopio che mostrano l'andamento della macinazione a ultrasuoni dei pigmenti magenta a base oleosa

Esempi: Macinazione a umido di nanoparticelle con ultrasuoni ad alta potenza

La macinazione a ultrasuoni è particolarmente indicata per la lavorazione di materiali di dimensioni micrometriche e nanometriche, quali ceramiche, allumina triidrata, solfato di bario, carbonato di calcio e ossidi metallici. Le tabelle riportate di seguito mostrano immagini microscopiche della macinazione dell’allumina triidrata (da 150 micron fino a 10 micron), della ceramica (da 30 micron fino a 2 micron) e del carbonato di sodio (da 70 micron fino a 3 micron). Le immagini microscopiche presenti in questa pagina illustrano l’andamento della macinazione ultrasonica utilizzando come esempi ceramiche dentali, pigmenti magenta, carbonato di sodio e allumina idrata.
 

Immagini al microscopio che mostrano l'andamento della macinazione a ultrasuoni del carbonato di sodio (Na₂CO₃) in isopropanolo.

Maggiore resa in ogni fase di lavorazione

L'energia ultrasonica viene trasmessa direttamente nella sospensione, dove avviene la riduzione delle dimensioni delle particelle. Le rapide forze di cavitazione consentono di abbreviare i cicli di macinazione, mentre l'efficiente conversione dell'energia elettrica in movimento meccanico permette di ridurre il fabbisogno energetico rispetto alle apparecchiature di macinazione convenzionali. La lavorazione continua in linea garantisce inoltre un'elevata produttività, una qualità costante e l'integrazione nelle linee di produzione esistenti.
Per i produttori alla ricerca di particelle più piccole, distribuzioni granulometriche più strette, lavorazioni più pulite e un scale-up efficiente, i sonicatori a sonda Hielscher trasformano la macinazione a umido in un processo progettato con precisione – dalle sperimentazioni di laboratorio alla produzione industriale in serie.

Funzionamento continuo per un'elevata produttività

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono molto facili da installare e da utilizzare. Solo due parti entrano in contatto con il materiale da macinare: il sonotrodo in titanio e la cella di flusso in acciaio inossidabile. Grazie al design semplice della cella di flusso a ultrasuoni, le unità possono essere pulite rapidamente. Poiché i dispositivi a ultrasuoni Hielscher presentano un’efficienza molto elevata nella conversione dell’energia elettrica in energia meccanica, in genere per la macinazione a ultrasuoni è necessaria una potenza inferiore rispetto alle apparecchiature di macinazione convenzionali.

Sonicatore industriale UIP6000hdT (6 kW) per la dispersione simultanea dei pigmenti e la sterilizzazione microbica di vernici e rivestimenti a base acquosa [/caption]L'effetto di macinazione delle particelle si basa sull'intensa cavitazione ultrasonica. Quando si sottopongono i liquidi a sonicazione ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel mezzo liquido generano cicli alternati di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con frequenze che dipendono dalla frequenza. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle di vuoto o cavità nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume tale da non poter più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo di alta pressione. Questo fenomeno è denominato cavitazione.
L'implosione delle bolle di cavitazione provoca microturbolenze e microgetti fino a 1000 km/ora. Le particelle di grandi dimensioni sono soggette a erosione superficiale (attraverso il collasso della cavitazione nel liquido circostante) o a riduzione delle dimensioni delle particelle (a causa della fissione per collisione interparticellare o del collasso delle bolle di cavitazione formatesi sulla superficie). Questo porta a una forte accelerazione della diffusione, dei processi di trasferimento di massa e delle reazioni in fase solida a causa della modifica delle dimensioni e della struttura dei cristalliti.

Sono disponibili processori a ultrasuoni e celle di flusso per la dispersione e la macinazione a umido delle polveri, sia a livello di laboratorio che di produzione. I sistemi industriali possono essere facilmente adattati per funzionare in linea. Per la ricerca e la sperimentazione di questo processo, così come per molti processi sonochimici, consigliamo i nostri dispositivi da laboratorio o il modello UIP1000hd.

I nanodiamanti possono essere dispersi in modo efficiente e affidabile utilizzando gli ultrasuoni Hielscher.

Letteratura / Riferimenti