Ultrasoon natmalen: fijne deeltjes, nauwkeurig vervaardigd
De ultrasone apparaten van Hielscher zijn efficiënte maalinstallaties voor uiterst effectieve deeltjesverkleining, nanodispersie en emulgering door middel van gecontroleerde, zeer intensieve ultrasone cavitatie. Deze systemen, die zijn ontworpen voor zowel onderzoek als industriële toepassing, breken op betrouwbare wijze agglomeraten af, verfijnen poeders en creëren homogene suspensies in sectoren als farmaceutica, cosmetica, nanomaterialen en speciale chemicaliën.
Van grof poeder tot uniforme micro- en nanodeeltjes
De sondesonificatoren van Hielscher zorgen voor krachtig en nauwkeurig regelbaar natmalen en fijnmalen – zonder korrels, bolletjes of andere maalmedia. Produceer homogene slurries met een hoog vastestofgehalte en een smalle deeltjesgrootteverdeling, terwijl de verwerkingstijd wordt verkort en het energieverbruik wordt verminderd.
Door gebruik te maken van nauwkeurige amplituderegeling en geavanceerde voortplanting van akoestische golven, zorgen de ultrasone apparaten voor uniforme resultaten met minimale thermische belasting, waardoor gevoelige verbindingen intact blijven en tegelijkertijd de doorvoer en reproduceerbaarheid worden gemaximaliseerd. Ontdek hoe ultrasoon malen uw formuleringsproces kan stroomlijnen en de productprestaties kan verbeteren.
Voor wie is ultrasoon natmalen geschikt?
- Fabrikanten die behoefte hebben aan een gecontroleerde deeltjesverkleining tot micron- of nanometergrootte
- Fabrikanten van pigmenten, inkt, verf en hoogwaardige coatings
- Verwerkingsinstallaties voor keramiek, mineralen, cement en metaaloxiden
- Formuleerders van farmaceutische en cosmetische producten die fijne suspensies ontwikkelen
- Fabrikanten van batterijen, katalysatoren en geavanceerde materialen
- Bedrijven die sterk geconcentreerde of viskeuze slurries verwerken
- Laboratoria die schaalbare processen voor de verkleining van de deeltjesgrootte ontwikkelen
- Fabrikanten die op zoek zijn naar een smalle, uniforme deeltjesgrootteverdeling
- Bedrijven die verontreiniging door freesparels of -kogels willen voorkomen
- Producenten die de maaltijd, het energieverbruik en de reinigingsbehoeften willen verminderen
Vertel ons meer over uw materiaal, de vaste-stofbelasting en de gewenste deeltjesgrootte. Ons team van ultrasone-behandelingsexperts zal u een ultrasone opstelling aanbevelen voor een betere deeltjesvermaling.
Industriële sonicator van 16.000 watt, model UIP16000hdT voor het natmalen van pigmenten en nanodeeltjes
Gecontroleerde verkleining van de deeltjesgrootte met krachtige ultrasone golven
Het verkleinen van deeltjes tot op micron- of nanometerschaal kan een formulering ingrijpend veranderen. Fijnere deeltjes kunnen de reactiviteit, stabiliteit, het oppervlak, de optische eigenschappen en de prestaties van het eindproduct verbeteren. Conventionele kogel-, parel- en media-molens kunnen echter slijtagedeeltjes introduceren, vereisen een arbeidsintensieve scheiding van de media en hebben moeite om een consistente verwerking te garanderen bij hoge concentraties vaste stoffen. Ultrasoon natmalen biedt een schoon, controleerbaar alternatief.
Hielscher-sonicatoren van het sondetype zenden ultrasone golven met hoge intensiteit rechtstreeks in een vloeistof of slurry. De wisselende drukgolven veroorzaken akoestische cavitatie: er ontstaan microscopisch kleine belletjes die met extreme kracht instorten, waardoor vloeistofstralen met hoge snelheid, schokgolven en krachtige schuifkrachten worden gegenereerd. Deze krachten zorgen ervoor dat de zwevende deeltjes met hoge snelheid tegen elkaar botsen. De daaruit voortvloeiende botsingen tussen de deeltjes, fragmentatie en oppervlakte-erosie verminderen agglomeraten – en, onder voldoende extreme omstandigheden, primaire deeltjes – tot micro- en nanogrootte.
Met ultrasone vermaling verkregen aluminiumtrihydraat
AL(OH)₃ werd geleverd door Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, VS. AL(OH)₃ is ook bekend onder de namen aluminiumtrihydroxide ATH-serie, Bayer gehydrateerd aluminiumoxide, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hydragylliet of gibbsiet. Het heeft een hardheid volgens de schaal van Mohs’ hardheid van 2,5 tot 3,5.
Ultrasone doorstroomreactoren voor industriële inline productie van nanopartikelslurries.
Nauwkeurige, herhaalbare en uniforme deeltjesgrootteverdeling
Ultrasoon malen is zeer flexibel instelbaar. Operators kunnen de amplitude, energie-inbreng, druk, temperatuur, verblijftijd en stroomsnelheid regelen om het proces af te stemmen op het materiaal en de gewenste deeltjesgrootte. Hierdoor is het proces geschikt voor alles, van zachte deagglomeratie tot intensief fijnmalen. Configuraties met recirculatie en inline-doorstroomcellen zorgen ervoor dat de slurry gelijkmatig wordt blootgesteld aan de cavitatiezone, wat bijdraagt aan reproduceerbare resultaten en een smalle, homogene deeltjesgrootteverdeling.
Een dergelijke mate van controle is van groot belang voor pigmenten, inkt, coatings, keramiek, metaaloxiden, mineralen, katalysatoren, farmaceutische producten en andere geavanceerde materialen, waarbij te grote deeltjes of een brede deeltjesgrootteverdeling de kwaliteit in gevaar kunnen brengen. De in het laboratorium vastgestelde procesparameters kunnen worden overgedragen naar proef- en industriële productie, waardoor systematische ontwikkeling en opschaling mogelijk worden.
Verwerking met een hoog vastestofgehalte zonder maalmedia
Aangezien de deeltjesverkleining plaatsvindt door cavitatie en botsingen tussen de deeltjes onderling, zijn er geen korrels, parels of maalballen nodig. Door het wegvallen van maalmedia wordt een mogelijke bron van verontreiniging voorkomen en is het niet langer nodig om deze media aan te schaffen, te reinigen, te vervangen en uit de afgewerkte slurry te scheiden. De eenvoudige geometrie van de met vloeistof in contact komende onderdelen vergemakkelijkt bovendien het reinigen en het wisselen van product.
De ultrasone vermalers van Hielscher kunnen zeer geconcentreerde en viskeuze slurries verwerken. Een hoog gehalte aan vaste stoffen betekent dat er minder vloeistof hoeft te worden verwerkt en, in veel gevallen, minder verdere concentratie of droging nodig is. Het kan ook het maal-effect tussen de deeltjes versterken door de frequentie van de deeltjesbotsingen te verhogen. Deze combinatie maakt ultrasoon malen bijzonder aantrekkelijk voor geconcentreerde masterbatches en suspensies op productieschaal.
Microscoopbeelden die het verloop van het ultrasoon malen van magenta-pigmenten op oliebasis weergeven
Voorbeelden: Natmalen van nanodeeltjes met krachtige ultrasone trillingen
Ultrasoon malen is bijzonder geschikt voor het verwerken van materialen op micron- en nanoschaal, zoals keramiek, aluminiumtrihydraat, bariumsulfaat, calciumcarbonaat en metaaloxiden. De onderstaande tabellen tonen microscopische beelden van het malen van aluminiumtrihydraat (van 150 micron tot 10 micron), keramiek (van 30 micron tot 2 micron) en natriumcarbonaat (van 70 micron tot 3 micron). De microscopische beelden op deze pagina tonen u het verloop van het ultrasoon malen aan de hand van voorbeelden van tandheelkundig keramiek, magenta-pigmenten, natriumcarbonaat en gehydrateerd aluminiumoxide.
Microscoopbeelden die het verloop laten zien van het ultrasoon malen van natriumcarbonaat (Na₂CO₃) in isopropanol.
Sonicated krijtverf op de grindometer toont de perfect uniforme deagglomeratie en deeltjesgrootteverdeling van de pigmenten aan
Ultrasone dispersie zorgt voor een doeltreffende verkleining van de deeltjesgrootte en een uniforme verdeling van carbonzwartpigmenten in UV-inkt.
Meer opbrengst bij elke verwerkingsstap
Ultrasone energie wordt rechtstreeks in de slurry toegevoerd, waar de deeltjes worden verkleind. Door de snelle cavitatiekrachten kunnen maalcycli worden verkort, terwijl de efficiënte omzetting van elektrische energie in mechanische beweging het energieverbruik kan verlagen in vergelijking met conventionele maalapparatuur. De continue inline-verwerking draagt bovendien bij aan een hoge doorvoercapaciteit, een constante kwaliteit en integratie in bestaande productielijnen.
Voor fabrikanten die op zoek zijn naar kleinere deeltjes, nauwkeurigere deeltjesgrootteverdelingen, een schoner verwerkingsproces en een efficiënte opschaling, maken de sondesonificatoren van Hielscher van natmalen een nauwkeurig ontworpen proces – van laboratoriumproeven tot continue industriële productie.
Continu bedrijf voor hoge doorvoercapaciteit
Ultrasone homogenisatoren zijn zeer eenvoudig te installeren en te bedienen. Er zijn slechts twee onderdelen die in contact komen met het te vermalen materiaal: de titanium sonotrode en de roestvrijstalen doorstroomcel. Dankzij het eenvoudige ontwerp van de ultrasone doorstroomcel kunnen de apparaten snel worden gereinigd. Aangezien de ultrasone apparaten van Hielscher een zeer hoog rendement hebben bij de omzetting van elektrische naar mechanische energie, is er over het algemeen minder vermogen nodig voor het ultrasoon malen dan voor conventionele maalapparatuur.
Industriële ultrasone vermaler UIP6000hdT (6 kW) voor gelijktijdige pigmentdispersie en microbiële sterilisatie van verf- en coatingformuleringen op waterbasis [/caption]Het deeltjesvermalingseffect is gebaseerd op intense ultrasone cavitatie. Bij het ultrasoon behandelen van vloeistoffen met hoge intensiteit zorgen de geluidsgolven die zich in het vloeibare medium voortplanten voor afwisselende cycli van hoge druk (compressie) en lage druk (verdunning), waarbij de frequentie van deze cycli afhankelijk is van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de bellen een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen opnemen, storten ze tijdens een hogedrukcyclus met grote kracht in. Dit fenomeen wordt cavitatie genoemd.
De implosie van de cavitatiebellen resulteert in microturbulenties en microjets tot 1000 km/u. Grote deeltjes zijn onderhevig aan oppervlakte-erosie (via cavitatie-instorting in de omringende vloeistof) of deeltjesgroottevermindering (als gevolg van splijting door botsing tussen deeltjes of het instorten van cavitatiebellen gevormd aan het oppervlak). Dit leidt tot een sterke versnelling van diffusie, massatransferprocessen en vaste-fasereacties doordat de kristallietgrootte en structuur veranderen.
Er zijn ultrasone verwerkers en doorstroomcellen voor het dispergeren en het natmalen van poeders verkrijgbaar voor zowel laboratorium- als productietoepassingen. De industriële systemen kunnen eenvoudig worden aangepast voor inline-gebruik. Voor onderzoek en het testen van dit proces, evenals voor talrijke sonochemische processen, raden wij onze laboratoriumapparaten of de UIP1000hd aan.
Nanodiamanten kunnen efficiënt en betrouwbaar worden gedispergeerd met Hielscher ultrasone machines.
Veelgestelde vragen over ultrasoon natmalen
Wat is ultrasoon natmalen?
Ultrasoon natmalen is een proces voor het verkleinen van de deeltjesgrootte waarbij krachtige ultrasone golven worden toegepast op een vloeibare slurry. Door akoestische cavitatie ontstaan intense schuifkrachten, schokgolven en botsingen tussen de deeltjes, waardoor agglomeraten worden afgebroken en vaste deeltjes worden verkleind tot micron- of nanometerafmetingen.
Hoe zorgt een sondetype-sonicator ervoor dat de deeltjesgrootte afneemt?
De ultrasone sonde, of sonotrode, brengt ultrasone golven met hoge intensiteit rechtstreeks in de slurry over. Er ontstaan cavitatiebellen die vervolgens instorten, waardoor vloeistofstralen met hoge snelheid ontstaan die de deeltjes tegen elkaar laten botsen. Deze botsingen leiden tot defragmentatie van de deeltjes, erosie van het oppervlak en effectieve deagglomeratie.
Kunnen er met ultrasoon natmalen nanodeeltjes worden geproduceerd?
Ja. De sondesonificatoren van Hielscher kunnen worden gebruikt voor gecontroleerde micronisatie en het verkrijgen van nanodeeltjes. De haalbare deeltjesgrootte hangt af van het materiaal, de oorspronkelijke deeltjesgrootte, de samenstelling van de slurry, de concentratie aan vaste stoffen, de verwerkingsintensiteit, de temperatuur, de druk en de sonicatietijd.
Welke materialen kunnen met ultrasoon frezen worden bewerkt?
Ultrasoon natmalen is geschikt voor pigmenten, inkt, keramiek, metaaloxiden, mineralen, cement, katalysatoren, batterijmaterialen, geneesmiddelen, cosmetica en geavanceerde nanomaterialen. Hiermee kunnen deeltjes worden verwerkt die in water, oplosmiddelen, oliën, harsen en andere compatibele vloeibare media zijn gesuspendeerd.
Zijn er voor ultrasoon malen slijpkorrels of -kogels nodig?
Nee. Bij ultrasone deeltjesverkleining zijn geen conventionele maalmedia nodig. Het maaleffect wordt veroorzaakt door deeltjesbotsingen als gevolg van cavitatie. Door het wegvallen van maalkorrels en -kogels wordt het risico op verontreiniging door maalmedia verminderd en is het niet langer nodig om de maalmedia te scheiden, te reinigen, te vervangen en af te voeren.
Kunnen Hielscher-sonicatoren slurries met een hoog vastestofgehalte verwerken?
Ja. De ultrasone verwerkers van Hielscher zijn geschikt voor sterk geconcentreerde en viskeuze suspensies. Een hoog gehalte aan vaste stoffen vermindert het volume van de te verwerken vloeistof en kan de botsingen tussen de deeltjes versterken, waardoor ultrasoon malen een aantrekkelijke optie is voor geconcentreerde slurries en de productie van masterbatches.
Leidt ultrasoon malen tot een smalle deeltjesgrootteverdeling?
Een gelijkmatige blootstelling aan de ultrasone cavitatiezone zorgt voor een smalle en homogene deeltjesgrootteverdeling. Recirculatie en continue inline-verwerking dragen bij aan een consistente behandeling van de gehele slurry en zorgen er tegelijkertijd voor dat het aantal te grote of onvoldoende verwerkte deeltjes wordt verminderd.
Welke parameters voor ultrasoon frezen kunnen worden geregeld?
Belangrijke parameters zijn onder meer de ultrasone amplitude, het energieverbruik, de druk, de temperatuur, het debiet, de verblijftijd en de concentratie aan vaste stoffen. Dankzij een nauwkeurige regeling kan het proces worden aangepast voor een zachte deagglomeratie, intensieve fijne vermaling of een reproduceerbare nanodispersie.
Is ultrasoon natmalen energiezuinig?
Ultrasone energie wordt rechtstreeks overgebracht naar de slurry, waar de deeltjes worden verkleind. Door de snelle cavitatiekrachten kunnen de verwerkingscycli worden verkort en het energieverbruik worden verminderd in vergelijking met sommige conventionele maalmethoden. Het daadwerkelijke energieverbruik is afhankelijk van het materiaal, de gewenste deeltjesgrootte, de doorvoercapaciteit en de procesconfiguratie.
Kan ultrasoon frezen continu worden uitgevoerd?
Ja. De ultrasone apparaten van Hielscher kunnen worden geïntegreerd met flow-cell-reactoren voor continu inline natmalen. Inline-verwerking zorgt voor een gecontroleerde verblijftijd, een constante productkwaliteit, een hoge doorvoercapaciteit en een eenvoudige integratie in bestaande industriële productielijnen.
Kan een ultrasoon freesproces worden opgeschaald?
Ultrasoon malen kan worden ontwikkeld met een laboratoriumsonicator en vervolgens worden overgezet naar proef- of industriële apparatuur met behulp van vastgestelde procesparameters en een specifieke energie-inbreng. Hielscher biedt sondetype sonicators aan voor kleinschalige tests, procesontwikkeling en continue commerciële productie.
Hoe kies ik de juiste Hielscher-sonicator?
De keuze van de sonicator hangt af van het materiaal, het slurryvolume, de vaste-stofconcentratie, de viscositeit, de aanvankelijke deeltjesgrootte, de vereiste eindgrootte en de gewenste doorvoercapaciteit. Een maalproef kan helpen bij het bepalen van de optimale amplitude, het benodigde energieverbruik, de geometrie van de sonde en de batch- of inline-configuratie.
Lees meer over het Hielscher-proceslaboratorium voor uw haalbaarheidstests en procesoptimalisatie.
Literatuur / Referenties
- 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.
- 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.
UIP1000hd
Microscoopbeelden die het verloop van het ultrasoon frezen van tandheelkundig keramiek weergeven