超音波湿式粉砕：精密に設計された微粒子
Hielscher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、高効率の粒子径低減、ナノ分散、乳化を行う効率的な粉砕装置です。研究規模と産業規模の両方に対応するよう設計されたこれらのシステムは、医薬品、化粧品、ナノ材料、特殊化学品の各分野で、凝集体を確実に破砕し、粉末を微細化し、均質な懸濁液を生成します。
粗い粉末から均一なマイクロ粒子・ナノ粒子へ
Hielscherのプローブ型超音波処理装置は、ビーズ、ボール、その他の粉砕媒体を使用せずに、強力で精密に制御できる湿式粉砕と微粉砕を実現します。処理時間を短縮し、エネルギー需要を低減しながら、粒度分布の狭い、均質で固形分濃度の高いスラリーを生成できます。
精密な振幅制御と高度な音波伝搬を活用することで、超音波処理装置は熱の影響を最小限に抑えて均一な結果を達成し、影響を受けやすい化合物を保護しながら、処理能力と再現性を最大化します。超音波粉砕が配合工程を効率化し、製品性能を高める方法をご覧ください。
超音波湿式粉砕はどのような方に適していますか？
- 粒子をマイクロメートルまたはナノメートルサイズまで制御して微細化する必要がある製造業者
- 顔料、インク、塗料、高性能コーティング材の製造業者
- セラミックス、鉱物、セメント、金属酸化物の加工業者
- 微細な懸濁液を開発する医薬品・化粧品の処方開発者
- 電池、触媒、先端材料の製造業者
- 高濃度または高粘度のスラリーを処理する企業
- スケールアップ可能な粒子径低減プロセスを開発する研究室
- 狭く均一な粒度分布を求める製造業者
- 粉砕用ビーズやボールによる汚染を避けたい事業者
- 粉砕時間、エネルギー消費量、洗浄の必要性の低減を目指す製造業者
材料、固形分含有量、目標粒子径についてお知らせください。当社の超音波処理専門チームが、粒子粉砕の改善に適した超音波処理装置の構成をご提案します。
産業用16,000ワット超音波処理装置UIP16000hdT による顔料とナノ粒子の湿式粉砕
高出力超音波による制御された粒子径低減
粒子をマイクロメートルまたはナノメートルの範囲まで微細化することで、配合物を大きく変えることができます。より微細な粒子は、反応性、安定性、表面積、光学特性、最終製品の性能を向上させる可能性があります。しかし、従来のボールミル、ビーズミル、媒体式粉砕機では、摩耗粒子が混入したり、粉砕媒体の分離に多大な手間がかかったり、高い固形分濃度で一貫した処理を行うことが難しかったりする場合があります。超音波湿式粉砕は、クリーンで制御可能な代替手段を提供します。
Hielscherのプローブ型超音波処理装置は、高強度超音波を液体またはスラリーに直接伝達します。交互に変化する圧力波は音響キャビテーションを発生させます。微小な気泡が形成され、極めて強い勢いで崩壊し、高速の液体ジェット、衝撃波、強力なせん断力を生み出します。これらの力は懸濁粒子を加速させ、互いに衝突させます。その結果生じる粒子間衝突、破砕、表面侵食により、凝集体はマイクロサイズ・ナノサイズへと微細化されます。十分に強い条件下では、一次粒子も同様に微細化されます。
超音波粉砕したアルミナ三水和物
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から提供されました。AL(OH)3は、三水酸化アルミニウムATHシリーズ、バイヤー法水和アルミナ、C-30、KB-30、KC-30、KH-30、ヒドラルジライト、またはギブサイトとも呼ばれます。モース硬度は2.5–3.5です。
ナノ粒子スラリーの産業用インライン製造に使用する超音波フロー式反応器。
精密で再現性のある均一な粒度分布
超音波粉砕は幅広い調整が可能です。操作者は、材料と目標粒子径に合わせて、振幅、エネルギー投入量、圧力、温度、滞留時間、流量を制御できます。そのため、このプロセスは穏やかな解凝集から強力な微粉砕まで、幅広い処理に適しています。再循環構成とインラインフローセル構成は、スラリーをキャビテーション領域に均一にさらし、再現性のある結果と、狭く均質な粒度分布を支えます。
このような高度な制御は、過大粒子や広い粒度分布が品質を損なうおそれのある顔料、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、その他の先端材料にとって有用です。研究室で確立したプロセスパラメーターをパイロット生産や産業生産へ移行できるため、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と粒子同士の衝突によって進むため、ビーズ、パール状媒体、粉砕ボールは必要ありません。粉砕媒体をなくすことで、汚染源となり得る要因を排除し、媒体の購入、洗浄、交換、完成したスラリーからの分離が不要になります。接液部の形状がシンプルなため、洗浄や製品の切り替えも容易です。
Hielscherの超音波処理装置は、高濃度で高粘度のスラリーを処理できます。固形分含有量が高いと、取り扱う液体量が減り、多くの場合、後工程での濃縮や乾燥の必要性も減ります。また、粒子衝突の頻度を高めることで、粒子間の粉砕効果を強化できる可能性もあります。この組み合わせにより、超音波粉砕は濃縮マスターバッチや生産規模の懸濁液にとって特に魅力的な方法となります。
油性マゼンタ顔料の超音波粉砕の進行を示す顕微鏡画像
例：高出力超音波によるナノ粒子の湿式粉砕
超音波粉砕は、セラミックス、アルミナ三水和物、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、金属酸化物など、マイクロメートル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。以下の表には、アルミナ三水和物（150マイクロメートルから10マイクロメートルまで）、セラミックス（30マイクロメートルから2マイクロメートルまで）、炭酸ナトリウム（70マイクロメートルから3マイクロメートルまで）の粉砕を示す顕微鏡画像を掲載しています。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を示す顕微鏡画像。
グラインドメーター上の超音波処理したチョーク塗料は、顔料の完全に均一な解凝集と粒度分布を示しています
超音波分散は、UVインク中のカーボンブラック顔料の効果的な粒子径低減と均一な分布を確実にします。
各処理工程でより多くの生産量を実現
超音波エネルギーは、粒子径低減が生じるスラリーに直接供給されます。急速に作用するキャビテーション力は粉砕サイクルを短縮でき、電気エネルギーを機械的運動へ効率よく変換することで、従来の粉砕装置に比べてエネルギー需要を低減できる可能性があります。連続インライン処理はさらに、高い処理能力、一貫した品質、既存の生産ラインへの統合を支えます。
より小さな粒子、より狭い粒度分布、よりクリーンな処理、効率的なスケールアップを求める製造業者に向けて、Hielscherのプローブ型超音波処理装置は、研究室での試験から連続的な産業生産まで、湿式粉砕を精密に設計されたプロセスへと変えます。
高い処理能力を実現する連続運転
超音波ホモジナイザーは、設置と操作が非常に簡単です。粉砕対象の材料に接触する部品は、チタン製ソノトロードとステンレス鋼製フローセルの二つだけです。超音波フローセルの設計がシンプルなため、装置を迅速に洗浄できます。Hielscher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、超音波粉砕に必要な電力は、一般に従来の粉砕装置より少なくなります。
水性塗料およびコーティング材の配合物で、顔料分散と微生物の滅菌を同時に行う産業用超音波処理装置UIP6000hdT（6kW）。 粒子の粉砕効果は、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、液体媒体中を伝搬する音波によって、高圧（圧縮）サイクルと低圧（希薄化）サイクルが交互に生じ、その繰り返し速度は周波数によって決まります。低圧サイクルでは、高強度の超音波が液体中に小さな真空気泡または空洞を作り出します。気泡がそれ以上エネルギーを吸収できない体積に達すると、高圧サイクル中に激しく崩壊します。この現象をキャビテーションと呼びます。
キャビテーション気泡の内向きの崩壊により、微小な乱流と、最大1000km/hrのマイクロジェットが発生します。大きな粒子は、表面侵食（周囲の液体中でのキャビテーション崩壊によるもの）、または粒子径低減（粒子間衝突による分裂、あるいは表面に形成されたキャビテーション気泡の崩壊によるもの）を受けます。これにより、結晶子のサイズと構造が変化するため、拡散、物質移動プロセス、固相反応が急激に加速されます。
粉末の分散および湿式粉砕用の超音波処理装置とフローセルは、研究室規模と生産規模の両方で利用できます。産業用システムは、インライン運転用に容易に後付けできます。このプロセスの研究と試験、および多くのソノケミカルプロセスには、当社の研究室用装置またはUIP1000hdを推奨します。
Hielscherの超音波処理装置を使用することで、ナノダイヤモンドを効率的かつ確実に分散できます。
超音波湿式粉砕に関するよくある質問
超音波湿式粉砕とは何ですか？
超音波湿式粉砕は、液体スラリーに高出力超音波を加える粒子径低減プロセスです。音響キャビテーションは、強力なせん断力、衝撃波、粒子間衝突を生み出し、凝集体を破砕して、固体粒子をマイクロメートルまたはナノメートルの寸法まで微細化します。
プローブ型超音波処理装置はどのように粒子径を低減しますか？
超音波プローブ、すなわちソノトロードは、高強度超音波をスラリーに直接伝達します。キャビテーション気泡が形成されて崩壊し、高速の液体ジェットを発生させて粒子を加速し、互いに衝突させます。これらの衝突によって、粒子の破砕、表面侵食、効果的な解凝集が生じます。
超音波湿式粉砕でナノ粒子を生成できますか？
はい。Hielscherのプローブ型超音波処理装置は、制御されたマイクロメートルサイズへの微細化やナノサイズ化に使用できます。達成できる粒子径は、材料、初期粒子径、スラリーの配合、固形分濃度、処理強度、温度、圧力、超音波処理時間によって異なります。
超音波粉砕で処理できる材料は何ですか？
超音波湿式粉砕は、顔料、インク、セラミックス、金属酸化物、鉱物、セメント、触媒、電池材料、医薬品、化粧品、先端ナノ材料に適しています。水、溶剤、油、樹脂、その他の適合する液体媒体に懸濁した粒子を処理できます。
超音波粉砕には粉砕用ビーズやボールが必要ですか？
いいえ。超音波による粒子径低減には、従来の粉砕媒体は必要ありません。キャビテーションによって引き起こされる粒子衝突が粉砕効果を生み出します。ビーズとボールをなくすことで、媒体に起因する汚染のリスクが低下し、媒体の分離、洗浄、交換、廃棄が不要になります。
Hielscherの超音波処理装置は固形分濃度の高いスラリーを処理できますか？
はい。Hielscherの超音波処理装置は、高濃度で高粘度の懸濁液を処理できます。固形分含有量が高いと、処理しなければならない液体の体積が減り、粒子間衝突が強まる可能性があるため、超音波粉砕は濃縮スラリーやマスターバッチの製造にとって魅力的な方法となります。
超音波粉砕は狭い粒度分布を実現できますか？
超音波キャビテーション領域に均一にさらすことで、狭く均質な粒度分布が得られやすくなります。再循環と連続インライン処理は、過大粒子や処理が不十分な粒子の数を減らしながら、スラリー全体の一貫した処理を確保するのに役立ちます。
超音波粉砕ではどのパラメーターを制御できますか？
重要なパラメーターには、超音波振幅、エネルギー投入量、圧力、温度、流量、滞留時間、固形分濃度があります。精密に制御することで、穏やかな解凝集、強力な微粉砕、再現性のあるナノ分散に合わせてプロセスを調整できます。
超音波湿式粉砕はエネルギー効率が高いですか？
超音波エネルギーは、粒子径低減が生じるスラリーに直接伝達されます。急速に作用するキャビテーション力は、一部の従来の粉砕方法と比較して、処理サイクルを短縮し、エネルギー需要を低減できる可能性があります。実際のエネルギー消費量は、材料、目標粒子径、処理能力、プロセス構成によって異なります。
超音波粉砕は連続運転できますか？
はい。Hielscherの超音波処理装置は、フローセル反応器と組み合わせて、連続インライン湿式粉砕に使用できます。インライン処理により、滞留時間の制御、一貫した製品品質、高い処理能力、既存の産業用生産ラインへの容易な統合が可能になります。
超音波粉砕プロセスはスケールアップできますか？
超音波粉砕は、研究室用超音波処理装置で開発し、規定したプロセスパラメーターと比エネルギー投入量を用いて、パイロット装置または産業用装置へ移行できます。Hielscherは、小規模試験、プロセス開発、連続商業生産に対応するプローブ型超音波処理装置を提供しています。
適切なHielscherの超音波処理装置はどのように選べばよいですか？
超音波処理装置の選定は、材料、スラリーの体積、固形分含有量、粘度、初期粒子径、要求される最終粒子径、希望する処理能力によって異なります。粉砕試験は、最適な振幅、必要エネルギー量、プローブ形状、バッチ式またはインライン式の構成を決定するのに役立ちます。
実現可能性試験とプロセス最適化に利用できるHielscherのプロセスラボについて、詳しくご覧ください。
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UIP1000hd
歯科用セラミックスの超音波粉砕の進行を示す顕微鏡画像