Ultradźwiękowe mielenie na mokro: drobne cząstki, precyzyjnie opracowane

Urządzenia ultradźwiękowe firmy Hielscher to wydajne urządzenia mielące służące do wysoce efektywnego rozdrabniania cząstek, nanodyspersji i emulgowania poprzez kontrolowaną kavitację ultradźwiękową o wysokiej intensywności. Systemy te, zaprojektowane zarówno do zastosowań badawczych, jak i przemysłowych, niezawodnie rozbijają aglomeraty, uszlachetniają proszki i tworzą jednorodne zawiesiny w branżach farmaceutycznej, kosmetycznej, nanomateriałów oraz chemikaliów specjalistycznych.

Od gruboziarnistego proszku do jednolitych mikro- i nanocząstek

Sonikatory sondowe firmy Hielscher zapewniają wydajne i precyzyjnie regulowane mielenie na mokro oraz drobne rozdrabnianie – bez kulek, kul lub innych środków mielących. Pozwalają uzyskać jednorodne zawiesiny o wysokiej zawartości cząstek stałych i wąskim rozkładzie wielkości cząstek, skracając jednocześnie czas przetwarzania i zmniejszając zużycie energii.
Dzięki precyzyjnej kontroli amplitudy i zaawansowanemu rozprzestrzenianiu się fal akustycznych sonikatory zapewniają jednolite wyniki przy minimalnym wpływie termicznym, chroniąc wrażliwe związki, a jednocześnie maksymalizując wydajność i powtarzalność. Dowiedz się, w jaki sposób mielenie ultradźwiękowe może usprawnić proces opracowywania receptur i poprawić właściwości produktu.

Kto powinien stosować ultradźwiękowe mielenie na mokro?

• Producenci, którzy potrzebują kontrolowanego zmniejszania wielkości cząstek do mikronów lub nanometrów
• Producenci pigmentów, farb drukarskich, farb malarskich oraz powłok o wysokiej wydajności
• Procesory ceramiczne, mineralne, cementowe i na bazie tlenków metali
• Twórcy receptur farmaceutycznych i kosmetycznych zajmujący się opracowywaniem zawiesin o drobnej strukturze
• Producenci akumulatorów, katalizatorów i materiałów zaawansowanych
• Przedsiębiorstwa przetwarzające zawiesiny o wysokim stężeniu lub dużej lepkości
• Laboratoria opracowujące skalowalne procesy rozdrabniania cząstek
• Producenci poszukujący wąskiego, jednolitego rozkładu wielkości cząstek
• Zakłady, które chcą uniknąć zanieczyszczenia spowodowanego przez kulki lub kulki frezarskie
• Producenci, którzy dążą do skrócenia czasu mielenia, zmniejszenia zużycia energii oraz ograniczenia nakładów związanych z czyszczeniem

Kontrolowane zmniejszanie wielkości cząstek za pomocą ultradźwięków o dużej mocy

Zmniejszenie wielkości cząstek do zakresu mikronów lub nanometrów może radykalnie zmienić właściwości preparatu. Drobniejsze cząstki mogą poprawić reaktywność, stabilność, powierzchnię, właściwości optyczne oraz parametry użytkowe produktu końcowego. Jednak konwencjonalne młyny kulowe, z kulkami i z medium mielącym mogą wprowadzać cząstki powstałe w wyniku zużycia, wymagają pracochłonnego oddzielania medium mielącego i mają trudności z zapewnieniem spójnego przetwarzania przy wysokich stężeniach substancji stałych. Ultradźwiękowe mielenie na mokro stanowi czystą i łatwą do kontrolowania alternatywę.
Sonikatory sondowe firmy Hielscher przekazują ultradźwięki o wysokim natężeniu bezpośrednio do cieczy lub zawiesiny. Naprzemienne fale ciśnienia powodują kawitację akustyczną: mikroskopijne pęcherzyki powstają i zapadają się z ogromną intensywnością, generując szybkie strumienie cieczy, fale uderzeniowe oraz potężne siły ścinające. Siły te powodują zderzanie się cząstek zawieszonych. Wynikające z tego zderzenia cząstek, ich rozpad oraz erozja powierzchniowa ograniczają tworzenie się aglomeratów – a w warunkach o wystarczająco wysokim natężeniu cząstki pierwotne – do rozmiarów mikro- i nano-.
 

Trójwodzian tlenku glinu mielony ultradźwiękowo
AL(OH)₃ został dostarczony przez firmę Alcoa World Alumina LLC z Pittsburgha w stanie Pensylwania (USA). AL(OH)₃ znany jest również pod nazwami: trihydroksyd glinu serii ATH, uwodniony tlenek glinu firmy Bayer, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hydragyllit lub gibbsyt. Jego twardość w skali Mohsa wynosi’ twardość od 2,5 do 3,5.

Precyzyjny, powtarzalny i jednolity rozkład wielkości cząstek

Mielenie ultradźwiękowe charakteryzuje się dużą elastycznością regulacji. Operatorzy mogą kontrolować amplitudę, moc wejściową, ciśnienie, temperaturę, czas przebywania oraz natężenie przepływu, dostosowując je do danego materiału i docelowej wielkości cząstek. Dzięki temu proces ten nadaje się do wszelkich zastosowań – od delikatnego rozbijania aglomeratów po intensywne mielenie na drobno. Konfiguracje z recyrkulacją oraz z komorą przepływową typu inline zapewniają równomierne narażenie zawiesiny na działanie strefy kawitacji, co pozwala uzyskać powtarzalne wyniki oraz wąski, jednorodny rozkład wielkości cząstek.
Taki poziom kontroli ma duże znaczenie w przypadku pigmentów, farb drukarskich, powłok, ceramiki, tlenków metali, minerałów, katalizatorów, farmaceutyków oraz innych zaawansowanych materiałów, w których cząstki o zbyt dużych rozmiarach lub szeroki rozkład wielkości cząstek mogą negatywnie wpływać na jakość. Parametry procesowe ustalone w laboratorium można przenieść do produkcji pilotażowej i przemysłowej, co umożliwia systematyczne opracowywanie i zwiększanie skali produkcji.

Obróbka materiałów o wysokiej zawartości części stałych bez użycia środków mielących

Ponieważ rozdrabnianie cząstek odbywa się w wyniku kawitacji oraz zderzeń między samymi cząstkami, nie są potrzebne żadne kulki, perełki ani kulki mielące. Wyeliminowanie środków mielących pozwala uniknąć potencjalnego źródła zanieczyszczeń oraz eliminuje konieczność ich zakupu, czyszczenia, wymiany i oddzielania od gotowej zawiesiny. Prosta geometria części mających kontakt z medium ułatwia również czyszczenie i zmianę produktu.
Urządzenia ultradźwiękowe firmy Hielscher mogą przetwarzać zawiesiny o wysokim stężeniu i dużej lepkości. Wysoka zawartość substancji stałych oznacza mniejszą ilość cieczy do przetworzenia, a w wielu przypadkach także mniejszą potrzebę dalszego zagęszczania lub suszenia. Może to również wzmocnić efekt mielenia międzycząsteczkowego poprzez zwiększenie częstotliwości zderzeń cząstek. To połączenie sprawia, że mielenie ultradźwiękowe jest szczególnie atrakcyjne w przypadku skoncentrowanych mieszanek barwiących i zawiesin na skalę produkcyjną.
 

Zdjęcia mikroskopowe przedstawiające przebieg mielenia ultradźwiękowego pigmentów w kolorze magenta na bazie oleju

Przykłady: Mielenie na mokro nanocząstek za pomocą ultradźwięków o dużej mocy

Mielenie ultradźwiękowe nadaje się szczególnie do przetwarzania materiałów o wielkości mikronowej i nanometrowej, takich jak ceramika, trihydrat tlenku glinu, siarczan baru, węglan wapnia i tlenki metali. Poniższe tabele przedstawiają zdjęcia mikroskopowe procesu mielenia trihydratu tlenku glinu (od 150 mikronów do 10 mikronów), ceramiki (od 30 mikronów do 2 mikronów) oraz węglanu sodu (od 70 mikronów do 3 mikronów). Zdjęcia mikroskopowe na tej stronie pokazują przebieg mielenia ultradźwiękowego na przykładach ceramiki dentystycznej, pigmentów w kolorze magenta, węglanu sodu oraz uwodnionego tlenku glinu.
 

Zdjęcia mikroskopowe przedstawiające przebieg mielenia ultradźwiękowego węglanu sodu (Na₂CO₃) w izopropanolu.

Większa wydajność na każdym etapie przetwarzania

Energia ultradźwiękowa jest dostarczana bezpośrednio do zawiesiny, gdzie następuje rozdrobnienie cząstek. Szybkie siły kawitacyjne mogą skrócić cykle mielenia, a wydajna konwersja energii elektrycznej na ruch mechaniczny pozwala zmniejszyć zapotrzebowanie na energię w porównaniu z konwencjonalnymi urządzeniami mielącymi. Ciągła obróbka w linii produkcyjnej dodatkowo sprzyja wysokiej wydajności, stałej jakości oraz integracji z istniejącymi liniami produkcyjnymi.
Dla producentów poszukujących drobniejszych cząstek, węższych rozkładów wielkości cząstek, czystszego przetwarzania oraz wydajnego zwiększania skali produkcji, sonikatory sondowe firmy Hielscher sprawiają, że mielenie na mokro staje się procesem precyzyjnie zaprojektowanym – od badań laboratoryjnych do ciągłej produkcji przemysłowej.

Praca ciągła zapewniająca wysoką przepustowość

Homogenizatory ultradźwiękowe są bardzo łatwe w montażu i obsłudze. Tylko dwie części mają kontakt z mielonym materiałem: sonotroda tytanowa oraz komora przepływowa ze stali nierdzewnej. Dzięki prostej konstrukcji ultradźwiękowej komory przepływowej urządzenia można szybko wyczyścić. Ponieważ urządzenia ultradźwiękowe firmy Hielscher charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością w przetwarzaniu energii elektrycznej na mechaniczną, do mielenia ultradźwiękowego zazwyczaj potrzeba mniej mocy niż w przypadku konwencjonalnych urządzeń mielących.

Przemysłowy ultradźwiękowiec UIP6000hdT (6 kW) do jednoczesnej dyspersji pigmentów i sterylizacji mikrobiologicznej preparatów farb i powłok na bazie wody [/caption]Efekt rozdrabniania cząstek opiera się na intensywnej kawitacji ultradźwiękowej. Podczas sonikacji cieczy z dużą intensywnością fale dźwiękowe rozprzestrzeniające się w ośrodku ciekłym powodują naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie), których częstotliwość zależy od częstotliwości ultradźwiękowej. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności tworzą w cieczy małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie. Gdy pęcherzyki osiągną objętość, przy której nie są już w stanie pochłaniać energii, gwałtownie zapadają się podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to nazywa się kawitacją.
Implozja kawitacji baniek wynika w mikro zawirowaniajets i mikro strumienia do 1000km/h. Duże cząstki podlegają ubytek powierzniewych (przez upadka kawitacji w okolicy cieczy) lub zmniejszenia wiekszości (ze względu na rozszczepienie poprzez zderzenia pomiędzy cząstkami lub upadku kawitacji bańki które powstały na powierzchni). To prowadzi do ostrego przyspieszania dyfuzji, procesy przeniesienia masy i reakcji fazy stałej z powodu wielkości krystallitów i zmiany struktury.

Procesory ultradźwiękowe i komory przepływowe do dyspersji oraz mielenia na mokro proszków są dostępne zarówno w wersji laboratoryjnej, jak i przemysłowej. Systemy przemysłowe można z łatwością dostosować do pracy w trybie inline. Do badań i testowania tego procesu, a także wielu innych procesów sonochemicznych, zalecamy nasze urządzenia laboratoryjne lub model UIP1000hd.

Nanodiamenty mogą być skutecznie i niezawodnie dyspergowane za pomocą ultrasonografów Hielscher.

Literatura / Referencje