Ultraskaņas mitrā malšana: precīzi veidotas smalkās daļiņas

Hielscher ultraskaņas iekārtas ir efektīvas malšanas iekārtas ļoti efektīvai daļiņu izmēra samazināšanai, nanodisperģēšanai un emulģēšanai, izmantojot kontrolētu augstas intensitātes ultraskaņas kavitāciju. Šīs sistēmas ir izstrādātas gan pētniecībai, gan rūpnieciskam mērogam un uzticami sašķeļ aglomerātus, smalcina pulverus un veido homogēnas suspensijas farmācijas, kosmētikas, nanomateriālu un speciālo ķīmisko vielu nozarēs.

No rupja pulvera līdz vienmērīgām mikrodaļiņām un nanodaļiņām

Hielscher zondes tipa ultraskaņas iekārtas nodrošina jaudīgu, precīzi kontrolējamu mitro malšanu un smalko smalcināšanu – bez pērlītēm, lodītēm vai citiem malšanas ķermeņiem. Iegūstiet homogēnas suspensijas ar augstu cietās fāzes saturu un šauru daļiņu izmēru sadalījumu, vienlaikus saīsinot apstrādes laiku un samazinot enerģijas patēriņu.
Izmantojot precīzu amplitūdas kontroli un pilnveidotu akustisko viļņu izplatīšanos, ultraskaņas iekārtas sasniedz vienmērīgus rezultātus ar minimālu termisko ietekmi, saglabājot jutīgos savienojumus un vienlaikus maksimāli palielinot ražīgumu un rezultātu reproducējamību. Uzziniet, kā ultraskaņas malšana var racionalizēt jūsu formulējumu izstrādes darbplūsmu un uzlabot produkta īpašības.

Kam būtu jāizmanto ultraskaņas mitrā malšana?

• Ražotājiem, kuriem nepieciešama kontrolēta daļiņu izmēra samazināšana līdz mikrometru vai nanometru izmēram
• Pigmentu, tinšu, krāsu un augstas veiktspējas pārklājumu ražotājiem
• Keramikas, minerālu, cementa un metālu oksīdu pārstrādātājiem
• Farmaceitisko un kosmētisko formulējumu izstrādātājiem, kas izstrādā smalkdispersas suspensijas
• Akumulatoru, katalizatoru un progresīvo materiālu ražotājiem
• Uzņēmumiem, kas apstrādā ļoti koncentrētas vai viskozas suspensijas
• Laboratorijām, kas izstrādā mērogojamus daļiņu izmēra samazināšanas procesus
• Ražotājiem, kas vēlas iegūt šauru, vienmērīgu daļiņu izmēru sadalījumu
• Ražotnēm, kas vēlas izvairīties no piesārņojuma, ko rada malšanas pērlītes vai lodītes
• Ražotājiem, kuru mērķis ir samazināt malšanas laiku, enerģijas patēriņu un tīrīšanas nepieciešamību

Kontrolēta daļiņu izmēra samazināšana ar lieljaudas ultraskaņu

Daļiņu izmēra samazināšana līdz mikrometru vai nanometru diapazonam var pārveidot formulējumu. Smalkākas daļiņas var labvēlīgi ietekmēt reaģētspēju, stabilitāti, virsmas laukumu, optiskās īpašības un galaprodukta veiktspēju. Tomēr tradicionālās lodīšu, pērlīšu un citu malšanas ķermeņu dzirnavas var radīt piesārņojumu ar nodiluma daļiņām, prasīt darbietilpīgu malšanas ķermeņu atdalīšanu un nespēt nodrošināt vienmērīgu apstrādi pie augstas cietās fāzes koncentrācijas. Ultraskaņas mitrā malšana piedāvā tīru, kontrolējamu alternatīvu.
Hielscher zondes tipa ultraskaņas iekārtas ievada augstas intensitātes ultraskaņu tieši šķidrumā vai suspensijā. Mainīgie spiediena viļņi rada akustisko kavitāciju: veidojas mikroskopiski burbulīši, kas sabrūk ar ārkārtīgu intensitāti, radot ātrgaitas šķidruma strūklas, triecienviļņus un spēcīgus bīdes spēkus. Šie spēki paātrina suspendētās daļiņas, liekot tām sadurties savā starpā. Šādi radušās daļiņu savstarpējās sadursmes, fragmentācija un virsmas erozija samazina aglomerātus – un pietiekami intensīvos apstākļos arī primārās daļiņas – līdz mikroizmēram un nanoizmēram.
 

Ar ultraskaņu malts alumīnija oksīda trihidrāts
AL(OH)3 piegādāja Alcoa World Alumina LLC, Pitsburga, PA, ASV. AL(OH)3 ir pazīstams arī kā ATH sērijas alumīnija trihidroksīds, Baijera hidratētais alumīnija oksīds, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hidrargilīts vai gibsīts. Tā cietība pēc Mosa skalas ir no 2,5 līdz 3,5.

Precīzs, atkārtojams un vienmērīgs daļiņu izmēru sadalījums

Ultraskaņas malšana ir plaši regulējama. Operatori var kontrolēt amplitūdu, pievadīto enerģiju, spiedienu, temperatūru, uzturēšanās laiku un plūsmas ātrumu atbilstoši materiālam un vēlamajam daļiņu izmēram. Tādēļ process ir piemērots gan saudzīgai deaglomerācijai, gan intensīvai smalkmalšanai. Recirkulācijas un ražošanas līnijā integrētu plūsmas šūnu konfigurācijas nodrošina vienmērīgu suspensijas pakļaušanu kavitācijas zonas iedarbībai, veicinot reproducējamus rezultātus un šauru, viendabīgu daļiņu izmēru sadalījumu.
Šāda kontroles pakāpe ir vērtīga pigmentu, tinšu, pārklājumu, keramikas, metālu oksīdu, minerālu, katalizatoru, farmaceitisko preparātu un citu progresīvu materiālu apstrādē, kur pārāk lielas daļiņas vai plašs izmēru sadalījums var pasliktināt kvalitāti. Laboratorijā noteiktos procesa parametrus var pārnest uz pilotražošanu un rūpniecisko ražošanu, nodrošinot sistemātisku izstrādi un mēroga palielināšanu.

Apstrāde ar augstu cietvielu saturu bez malšanas ķermeņiem

Tā kā daļiņu izmēra samazināšanu nodrošina kavitācija un pašu daļiņu savstarpējās sadursmes, nav nepieciešamas lodītes, pērlītes vai malšanas lodes. Atsakoties no malšanas ķermeņiem, tiek novērsts potenciāls piesārņojuma avots un nepieciešamība tos iegādāties, tīrīt, nomainīt un atdalīt no gatavās suspensijas. Ar šķidrumu saskarē esošo daļu vienkāršā ģeometrija arī atvieglo tīrīšanu un pāreju uz cita produkta ražošanu.
Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces var apstrādāt ļoti koncentrētas un viskozas suspensijas. Augsts cietvielu saturs nozīmē mazāku apstrādājamā šķidruma daudzumu un daudzos gadījumos mazāku nepieciešamību pēc turpmākas koncentrēšanas vai žāvēšanas. Tas var arī pastiprināt malšanas efektu, ko rada daļiņu savstarpējā mijiedarbība, palielinot daļiņu sadursmju biežumu. Šī kombinācija padara ultraskaņas malšanu īpaši pievilcīgu koncentrētu pamatmaisījumu un ražošanas mēroga suspensiju apstrādei.
 

Mikroskopa attēli, kas parāda eļļas bāzes madžentas krāsas pigmentu ultraskaņas malšanas gaitu

Piemēri: nanodaļiņu slapjā malšana ar lieljaudas ultraskaņu

Ultraskaņas malšana ir īpaši piemērota mikrometru un nanometru izmēra materiālu, piemēram, keramikas, alumīnija oksīda trihidrāta, bārija sulfāta, kalcija karbonāta un metālu oksīdu, apstrādei. Tālāk redzamajās tabulās ir parādīti alumīnija oksīda trihidrāta (no 150 mikrometriem līdz 10 mikrometriem), keramikas (no 30 mikrometriem līdz 2 mikrometriem) un nātrija karbonāta (no 70 mikrometriem līdz 3 mikrometriem) malšanas mikroskopiskie attēli. Šajā lapā redzamie mikroskopiskie attēli parāda ultraskaņas malšanas gaitu, izmantojot zobārstniecības keramikas, madžentas krāsas pigmentu, nātrija karbonāta un hidratēta alumīnija oksīda piemērus.
 

Mikroskopa attēli, kas parāda nātrija karbonāta (Na2CO3) ultraskaņas malšanas gaitu izopropanolā.

Lielāka izlaide katrā apstrādes posmā

Ultraskaņas enerģija tiek pievadīta tieši suspensijā, kur notiek daļiņu izmēra samazināšana. Strauji iedarbojošies kavitācijas spēki var saīsināt malšanas ciklus, savukārt efektīva elektroenerģijas pārvēršana mehāniskā kustībā var samazināt enerģijas patēriņu salīdzinājumā ar tradicionālajām malšanas iekārtām. Nepārtraukta apstrāde ražošanas līnijā papildus veicina augstu ražīgumu, nemainīgu kvalitāti un integrāciju esošajās ražošanas līnijās.
Ražotājiem, kuri vēlas iegūt mazākas daļiņas, šaurāku izmēru sadalījumu, tīrāku apstrādi un efektīvu mēroga palielināšanu, Hielscher zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces pārvērš slapjo malšanu precīzi izstrādātā procesā – no laboratorijas izmēģinājumiem līdz nepārtrauktai rūpnieciskajai ražošanai.

Nepārtraukta darbība augsta ražīguma nodrošināšanai

Ultraskaņas homogenizatorus ir ļoti viegli uzstādīt un darbināt. Ar maļamo materiālu saskaras tikai divas daļas: titāna sonotrode un nerūsējošā tērauda plūsmas šūna. Ultraskaņas plūsmas šūnas vienkāršā konstrukcija ļauj ātri iztīrīt iekārtas. Tā kā Hielscher ultraskaņas ierīces ar ļoti augstu lietderības koeficientu pārveido elektroenerģiju mehāniskajā enerģijā, ultraskaņas malšanai parasti ir nepieciešama mazāka jauda nekā malšanai ar tradicionālajām iekārtām.

Rūpnieciskais sonikators UIP6000hdT (6kW) vienlaicīgai pigmentu disperģēšanai un ūdens bāzes krāsu un pārklājumu sastāvu mikrobiālajai sterilizācijai Daļiņu malšanas efekta pamatā ir intensīva ultraskaņas kavitācija. Apstrādājot šķidrumus ar augstas intensitātes ultraskaņu, skaņas viļņi, kas izplatās šķidrajā vidē, rada mainīgus augsta spiediena (saspiešanas) un zema spiediena (retinājuma) ciklus, kuru atkārtošanās ātrums ir atkarīgs no frekvences. Zema spiediena cikla laikā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mazus vakuuma burbuļus vai dobumus. Kad burbuļi sasniedz tilpumu, pie kura tie vairs nespēj absorbēt enerģiju, augsta spiediena cikla laikā tie strauji sabrūk. Šo parādību sauc par kavitāciju.
Kavitācijas burbuļu implozija rada mikroturbulenci un mikrostrūklas ar ātrumu līdz 1000km/hr. Lielās daļiņas tiek pakļautas virsmas erozijai (kavitācijas burbuļu sabrukšanas dēļ apkārtējā šķidrumā) vai to izmērs samazinās (sašķeļoties daļiņu savstarpējo sadursmju dēļ vai sabrūkot uz virsmas izveidotajiem kavitācijas burbuļiem). Kristalītu izmēra un struktūras izmaiņu dēļ tas izraisa strauju difūzijas, masas pārneses procesu un cietās fāzes reakciju paātrināšanos.

Ultraskaņas apstrādes iekārtas un plūsmas šūnas pulveru disperģēšanai un mitrajai malšanai ir pieejamas laboratorijas un ražošanas mērogam. Rūpnieciskās sistēmas var viegli pielāgot darbam ražošanas līnijā. Šī procesa izpētei un pārbaudei, kā arī daudziem sonoķīmiskajiem procesiem mēs iesakām mūsu laboratorijas ierīces vai UIP1000hd.

Nanodimantus var efektīvi un uzticami disperģēt, izmantojot Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces.

Literatūra / Atsauces

• 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.