超音波湿式粉砕：微細な粒子、精密に設計された製品

ヒールシャーの超音波処理装置は、制御された高強度の超音波キャビテーションにより、高効率な粒子径の微細化、ナノ分散、および乳化を実現する効率的な粉砕装置です。 研究用および工業用規模の両方に対応するように設計されたこれらのシステムは、医薬品、化粧品、ナノ材料、特殊化学品などの分野において、凝集塊を確実に分解し、粉末を微細化し、均質な懸濁液を作り出します。

粗い粉末から均一なマイクロ粒子およびナノ粒子へ

ヒエルシャーのプローブ型超音波処理装置は、強力かつ精密に制御可能な湿式粉砕および微粉砕を実現します。 – ビーズ、ボール、その他の粉砕媒体を使用せずに、粒子径分布が狭い均質な高固形分スラリーを製造すると同時に、処理時間を短縮し、エネルギー消費を削減します。
精密な振幅制御と高度な音波伝播技術を活用することで、超音波処理装置は熱影響を最小限に抑えながら均一な処理結果を実現し、デリケートな化合物を保護しつつ、処理能力と再現性を最大限に高めます。超音波粉砕が、製剤開発のワークフローを効率化し、製品の性能を向上させる仕組みをご覧ください。

超音波湿式粉砕はどのような場合に適しているか？

• ミクロンまたはナノメートル単位での粒子低減管理を必要とするメーカー
• 顔料、インク、塗料、および高性能コーティング剤のメーカー
• セラミック、鉱物、セメント、および金属酸化物の加工装置
• 微細な懸濁液を開発する医薬品・化粧品処方開発者
• 電池、触媒、および先端材料メーカー
• 高濃度または高粘度のスラリーを処理する企業
• スケーラブルな粒子径低減プロセスを開発している研究所
• 粒子径分布が狭く、均一であることを求めるメーカー
• ミリングビーズやボールによる汚染を避けたい工程
• 製粉時間の短縮、エネルギー消費量の削減、および洗浄作業の軽減を目指す生産者

高出力超音波を用いた粒子径の制御された微細化

粒子をミクロンまたはナノメートルレベルまで微細化することで、製剤の特性を一変させることができます。粒子が微細になれば、反応性、安定性、表面積、光学特性、そして最終製品の性能が向上します。しかし、従来のボールミル、ビーズミル、メディアミルでは、摩耗粒子が混入したり、手間のかかる媒体の分離が必要になったり、高固形分濃度での一貫した処理が困難であったりします。 超音波湿式粉砕は、クリーンで制御性の高い代替手段となります。
ヒエルシャー社のプローブ型超音波処理装置は、高強度の超音波を液体やスラリーに直接伝達します。交互に発生する圧力波によって音響キャビテーションが生じます。微細な気泡が形成され、極めて激しい勢いで崩壊することで、高速の液体ジェット、衝撃波、そして強力なせん断力が発生します。これらの力により、懸濁した粒子同士が互いに衝突します。 その結果生じる粒子間の衝突、破砕、および表面侵食により、凝集塊が減少します。 – また、十分に過酷な条件下では、一次粒子は – マイクロサイズおよびナノサイズまで。
 

超音波粉砕された三水和アルミナ
AL(OH)3は、米国ペンシルベニア州ピッツバーグのAlcoa World Alumina LLCから供給された。 AL(OH)₃は、アルミニウム三水酸化物（ATHシリーズ）、バイエル水和アルミナ、C-30、KB-30、KC-30、KH-30、ハイドラギライト、またはギブサイトとしても知られている。そのモース硬度は’ 硬度は2.5から3.5。

正確で再現性が高く、均一な粒子径分布

超音波粉砕は、幅広い調整が可能です。オペレーターは、材料や目標とする粒子径に合わせて、振幅、エネルギー入力、圧力、温度、滞留時間、流量を制御することができます。これにより、このプロセスは、穏やかな凝集解除から強力な微粉砕に至るまで、あらゆる用途に適しています。 再循環方式やインラインフローセル方式を採用することで、スラリーをキャビテーションゾーンに均一に曝露させることができ、再現性の高い結果と、狭く均一な粒子径分布を実現します。
このレベルの制御は、顔料、インク、コーティング材、セラミックス、金属酸化物、鉱物、触媒、医薬品、およびその他の先端材料において、粒子径が規格外であったり粒度分布が広すぎたりすると品質が損なわれる可能性があるため、極めて重要です。実験室で確立されたプロセスパラメータをパイロット生産や工業生産に転用することで、体系的な開発とスケールアップが可能になります。

粉砕媒体を使用しない高固形分処理

粒子の微細化はキャビテーションおよび粒子同士の衝突によって行われるため、ビーズ、パール、あるいは粉砕ボールなどは一切必要ありません。粉砕媒体を使用しないことで、汚染の潜在的な原因を排除できるほか、媒体の購入、洗浄、交換、および完成したスラリーからの分離といった作業が不要になります。また、液に接触する部分がシンプルな構造となっているため、洗浄や製品の切り替えも容易です。
ヒエルシャーの超音波処理装置は、高濃度かつ高粘度のスラリーを処理することができます。 固形分濃度が高いということは、処理すべき液体の量が少なく、多くの場合、下流工程での濃縮や乾燥の工程を削減できることを意味します。また、粒子間の衝突頻度を高めることで、粒子間の粉砕効果を強化することも可能です。こうした相乗効果により、超音波粉砕は、高濃度のマスターバッチや生産規模の懸濁液の処理において特に有効です。
 

油性マゼンタ顔料の超音波粉砕の進行状況を示す顕微鏡画像

例：高出力超音波を用いたナノ粒子の湿式粉砕

超音波粉砕は、セラミックス、三水和アルミナ、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、金属酸化物など、ミクロンサイズおよびナノサイズの材料の処理に特に適しています。 以下の表は、三水和アルミナ（150ミクロンから10ミクロンまで）、セラミックス（30ミクロンから2ミクロンまで）、および炭酸ナトリウム（70ミクロンから3ミクロンまで）の粉砕過程を示す顕微鏡画像です。 このページの顕微鏡画像は、歯科用セラミックス、マゼンタ顔料、炭酸ナトリウム、水和アルミナを例に、超音波粉砕の進行状況を示しています。
 

イソプロパノール中での炭酸ナトリウム（Na₂CO₃）の超音波粉砕の進行状況を示す顕微鏡画像。

各処理工程における生産量の向上

超音波エネルギーはスラリーに直接伝達され、そこで粒子径の微細化が行われます。急速なキャビテーション力により粉砕サイクルを短縮できるほか、電気エネルギーを機械的運動へ効率的に変換することで、従来の粉砕装置と比較してエネルギー消費量を削減できます。さらに、連続インライン処理により、高スループット、安定した品質、および既存の生産ラインへの統合が実現されます。
より微細な粒子、より狭い粒度分布、よりクリーンな加工、そして効率的なスケールアップを求めるメーカーにとって、ヒールシャーのプローブ型超音波処理装置は、ウェットミリングを精密に設計されたプロセスへと変えます。 – 実験室での試験から、連続的な工業生産まで。

高スループットを実現する連続運転

超音波ホモジナイザーは、設置も操作も非常に簡単です。粉砕対象物と接触する部分は、チタン製のソノトロードとステンレス製のフローセルの2つだけです。超音波フローセルの設計がシンプルであるため、装置の洗浄も迅速に行えます。 ヒールシャーの超音波装置は、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換効率が非常に高いため、一般的に、従来の粉砕装置に比べて超音波粉砕に必要な電力は少なくて済みます。

水性塗料およびコーティング製剤の顔料分散と微生物殺菌を同時に行う産業用超音波処理装置 UIP6000hdT (6kW) [/caption]粒子微細化効果は、強力な超音波キャビテーションに基づいています。 液体を高強度で超音波処理すると、液体媒体内に伝播する音波により、周波数に応じた周期で高圧（圧縮）と低圧（希薄）が交互に繰り返されます。 低圧サイクル中、高強度の超音波によって液体中に微小な真空気泡や空隙が形成されます。気泡がエネルギーを吸収できなくなるほどの体積に達すると、高圧サイクル中に激しく崩壊します。この現象はキャビテーションと呼ばれます。
キャビテーション気泡の爆縮により、最大時速1000kmのマイクロ乱流とマイクロジェットが発生する。大きな粒子は、（周囲の液体中のキャビテーション崩壊による）表面侵食や（粒子間衝突による分裂や表面に形成されたキャビテーション気泡の崩壊による）粒径減少を受ける。これは、結晶子サイズと構造の変化による拡散、物質移動プロセス、固相反応の急激な加速につながる。

粉末の分散および湿式粉砕用の超音波処理装置およびフローセルは、実験室用および生産用としてご用意しています。産業用システムは、インライン処理に対応するよう容易に改造可能です。このプロセスの研究や試験、および多くの超音波化学プロセスについては、当社の実験室用装置またはUIP1000hdのご利用をお勧めします。

ナノダイヤモンドは、Hielscher社の超音波分散機を使用することで、効率的かつ確実に分散させることができる。

文献・参考文献