Moagem ultrassónica por via húmida: partículas finas, concebidas com precisão
Os sonicadores Hielscher são equipamentos de moagem eficientes para a redução altamente eficiente do tamanho das partículas, a nanodispersão e a emulsificação através de cavitação ultrassónica controlada de alta intensidade. Concebidos tanto para investigação como para utilização à escala industrial, estes sistemas desfazem aglomerados de forma fiável, refinam pós e criam suspensões homogéneas em aplicações que abrangem produtos farmacêuticos, cosméticos, nanomateriais e produtos químicos de especialidade.
De pó grosseiro a micropartículas e nanopartículas uniformes
Os sonicadores de sonda Hielscher proporcionam uma moagem por via húmida e uma moagem fina potentes e controláveis com precisão – sem microesferas, esferas ou outros meios de moagem. Produza suspensões homogéneas com elevado teor de sólidos e distribuições estreitas do tamanho das partículas, reduzindo simultaneamente o tempo de processamento e as necessidades energéticas.
Graças ao controlo preciso da amplitude e à propagação avançada de ondas acústicas, os sonicadores alcançam resultados uniformes com um impacto térmico mínimo, preservando compostos sensíveis e maximizando a capacidade de processamento e a reprodutibilidade. Descubra como a moagem ultrassónica pode simplificar o seu fluxo de trabalho de formulação e melhorar o desempenho do produto.
Quem deve utilizar a moagem ultrassónica por via húmida?
- Fabricantes que necessitam de uma redução controlada das partículas para dimensões micrométricas ou nanométricas
- Produtores de pigmentos, tintas de impressão, tintas e revestimentos de elevado desempenho
- Empresas que processam cerâmicas, minerais, cimento e óxidos metálicos
- Formuladores de produtos farmacêuticos e cosméticos que desenvolvem suspensões finas
- Fabricantes de baterias, catalisadores e materiais avançados
- Empresas que processam suspensões altamente concentradas ou viscosas
- Laboratórios que desenvolvem processos de redução do tamanho das partículas com possibilidade de aumento de escala
- Fabricantes que procuram uma distribuição estreita e uniforme do tamanho das partículas
- Unidades de produção que pretendem evitar a contaminação proveniente de microesferas ou esferas de moagem
- Produtores que pretendem reduzir o tempo de moagem, o consumo de energia e as necessidades de limpeza
Fale-nos do seu material, do teor de sólidos e do tamanho de partícula pretendido. A nossa equipa de especialistas em sonicação recomendar-lhe-á uma configuração de sonicação para melhorar a moagem das partículas.
Sonicador industrial UIP16000hdT de 16 000 watts para a moagem por via húmida de pigmentos e nanopartículas
Redução controlada do tamanho das partículas com ultrassons de potência
Reduzir as partículas para a gama micrométrica ou nanométrica pode transformar uma formulação. Partículas mais finas podem melhorar a reatividade, a estabilidade, a área superficial, as propriedades óticas e o desempenho do produto final. Contudo, os moinhos convencionais de esferas, de microesferas e de outros meios de moagem podem introduzir partículas de desgaste, exigir uma separação laboriosa dos meios de moagem e ter dificuldade em proporcionar um tratamento consistente com concentrações elevadas de sólidos. A moagem ultrassónica por via húmida oferece uma alternativa limpa e controlável.
Os sonicadores de sonda Hielscher transmitem ultrassons de alta intensidade diretamente para um líquido ou uma suspensão. As ondas de pressão alternada criam cavitação acústica: formam-se bolhas microscópicas que colapsam com intensidade extrema, gerando jatos de líquido de alta velocidade, ondas de choque e forças de cisalhamento potentes. Estas forças aceleram as partículas em suspensão, fazendo-as colidir umas com as outras. As colisões entre partículas, a fragmentação e a erosão superficial resultantes reduzem os aglomerados – e, em condições suficientemente intensas, as partículas primárias – a dimensões micrométricas e nanométricas.
Alumina tri-hidratada moída por ultrassons
O AL(OH)3 foi fornecido pela Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, EUA. O AL(OH)3 é também conhecido como tri-hidróxido de alumínio da série ATH, alumina hidratada Bayer, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hidrargilite ou gibsite. Tem uma dureza de Mohs de 2,5 a 3,5.
Reatores ultrassónicos de fluxo contínuo para a produção industrial em linha de suspensões de nanopartículas.
Distribuição precisa, repetível e uniforme do tamanho das partículas
A moagem ultrassónica é altamente ajustável. Os operadores podem controlar a amplitude, a energia fornecida, a pressão, a temperatura, o tempo de residência e o caudal para os adequar ao material e ao tamanho de partícula pretendido. Isto torna o processo adequado para aplicações que vão da desaglomeração suave à moagem fina intensiva. As configurações de recirculação e de células de fluxo em linha expõem a suspensão uniformemente à zona de cavitação, favorecendo resultados reprodutíveis e uma distribuição estreita e homogénea do tamanho das partículas.
Este nível de controlo é valioso para pigmentos, tintas de impressão, revestimentos, cerâmicas, óxidos metálicos, minerais, catalisadores, produtos farmacêuticos e outros materiais avançados em que partículas demasiado grandes ou uma distribuição ampla podem comprometer a qualidade. Os parâmetros de processo estabelecidos no laboratório podem ser transferidos para a produção piloto e industrial, permitindo um desenvolvimento sistemático e o aumento de escala.
Processamento com elevado teor de sólidos sem meios de moagem
Como a redução das partículas é promovida pela cavitação e pelas colisões entre as próprias partículas, não são necessárias microesferas, pérolas ou esferas de moagem. A eliminação dos meios de moagem evita uma potencial fonte de contaminação e elimina a necessidade de comprar, limpar, substituir e separar esses meios da suspensão final. A geometria simples das superfícies em contacto com o líquido também facilita a limpeza e a mudança de produto.
Os sonicadores Hielscher podem processar suspensões altamente concentradas e viscosas. Um elevado teor de sólidos significa menos líquido para manusear e, em muitos casos, menos concentração ou secagem a jusante. Pode também reforçar o efeito de moagem entre partículas, aumentando a frequência das colisões entre elas. Esta combinação torna a moagem ultrassónica especialmente atrativa para concentrados masterbatch e suspensões à escala de produção.
Imagens de microscopia que mostram a evolução da moagem ultrassónica de pigmentos magenta à base de óleo
Exemplos: moagem por via húmida de nanopartículas com ultrassons de potência
A moagem ultrassónica é especialmente adequada para processar materiais de dimensões micrométricas e nanométricas, como cerâmicas, alumina tri-hidratada, sulfato de bário, carbonato de cálcio e óxidos metálicos. As tabelas abaixo mostram imagens de microscopia da moagem de alumina tri-hidratada (de 150 micrómetros até 10 micrómetros), cerâmicas (de 30 micrómetros até 2 micrómetros) e carbonato de sódio (de 70 micrómetros até 3 micrómetros). As imagens de microscopia nesta página mostram-lhe a evolução da moagem ultrassónica nos exemplos de cerâmicas dentárias, pigmentos magenta, carbonato de sódio e alumina hidratada.
Imagens de microscopia que mostram a evolução da moagem ultrassónica de carbonato de sódio (Na2CO3) em isopropanol.
A tinta à base de giz submetida a sonicação no grindómetro demonstra a desaglomeração e a distribuição do tamanho das partículas dos pigmentos perfeitamente uniformes
A dispersão ultrassónica assegura uma redução eficaz do tamanho das partículas e uma distribuição uniforme dos pigmentos de negro de carbono em tinta UV.
Maior produção em cada etapa de processamento
A energia ultrassónica é fornecida diretamente à suspensão, onde ocorre a redução do tamanho das partículas. As forças rápidas de cavitação podem encurtar os ciclos de moagem, enquanto a conversão eficiente de energia elétrica em movimento mecânico pode reduzir as necessidades energéticas em comparação com equipamentos de moagem convencionais. O processamento contínuo em linha favorece ainda uma elevada capacidade de processamento, uma qualidade consistente e a integração em linhas de produção existentes.
Para os fabricantes que procuram partículas mais pequenas, distribuições mais estreitas, um processamento mais limpo e um aumento de escala eficiente, os sonicadores de sonda Hielscher transformam a moagem por via húmida num processo concebido com precisão – desde os ensaios laboratoriais até à produção industrial contínua.
Funcionamento contínuo para uma elevada capacidade de processamento
Os homogeneizadores ultrassónicos são muito fáceis de instalar e de operar. Apenas duas peças estão em contacto com o material a moer: o sonotrodo de titânio e a célula de fluxo de aço inoxidável. Graças à conceção simples da célula de fluxo ultrassónica, as unidades podem ser limpas rapidamente. Como os dispositivos ultrassónicos Hielscher têm uma eficiência muito elevada na conversão de energia elétrica em energia mecânica, a moagem ultrassónica necessita geralmente de menos potência do que os equipamentos de moagem convencionais.
Sonicador industrial UIP6000hdT (6kW) para a dispersão de pigmentos e a esterilização microbiana simultâneas de formulações de tintas e revestimentos de base aquosa O efeito de moagem das partículas baseia-se na cavitação ultrassónica intensa. Ao submeter líquidos a sonicação de alta intensidade, as ondas sonoras que se propagam nos meios líquidos originam ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com taxas que dependem da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultrassónicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou cavidades no líquido. Quando as bolhas atingem um volume no qual já não conseguem absorver energia, colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. Este fenómeno denomina-se cavitação.
A implosão das bolhas de cavitação provoca microturbulências e microjatos de até 1000km/hr. As partículas grandes sofrem erosão superficial (através do colapso cavitacional no líquido circundante) ou redução do tamanho das partículas (devido à fragmentação por colisão entre partículas ou ao colapso de bolhas de cavitação formadas na superfície). Isto conduz a uma aceleração acentuada da difusão, dos processos de transferência de massa e das reações em fase sólida, devido à alteração do tamanho e da estrutura dos cristalitos.
Estão disponíveis processadores ultrassónicos e células de fluxo para a dispersão e a moagem por via húmida de pós, tanto à escala laboratorial como à escala de produção. Os sistemas industriais podem ser facilmente adaptados para funcionar em linha. Para a investigação e os ensaios deste processo, bem como para muitos processos sonoquímicos, recomendamos os nossos dispositivos laboratoriais ou o UIP1000hd.
Os nanodiamantes podem ser dispersos de forma eficiente e fiável utilizando sonicadores Hielscher.
Perguntas frequentes sobre a moagem ultrassónica por via húmida
O que é a moagem ultrassónica por via húmida?
A moagem ultrassónica por via húmida é um processo de redução do tamanho das partículas no qual se aplicam ultrassons de alta potência a uma suspensão líquida. A cavitação acústica gera forças de cisalhamento intensas, ondas de choque e colisões entre partículas que desfazem aglomerados e reduzem as partículas sólidas a dimensões micrométricas ou nanométricas.
Como reduz um sonicador de sonda o tamanho das partículas?
A sonda ultrassónica, ou sonotrodo, transfere ultrassons de alta intensidade diretamente para a suspensão. Formam-se bolhas de cavitação que colapsam, criando jatos de líquido de alta velocidade que aceleram as partículas umas contra as outras. Estas colisões provocam a fragmentação das partículas, a erosão superficial e uma desaglomeração eficaz.
A moagem ultrassónica por via húmida pode produzir nanopartículas?
Sim. Os sonicadores de sonda Hielscher podem ser utilizados para a micronização controlada e a redução controlada a dimensões nanométricas. O tamanho de partícula alcançável depende do material, do tamanho inicial das partículas, da formulação da suspensão, da concentração de sólidos, da intensidade de processamento, da temperatura, da pressão e do tempo de sonicação.
Que materiais podem ser processados por moagem ultrassónica?
A moagem ultrassónica por via húmida é adequada para pigmentos, tintas de impressão, cerâmicas, óxidos metálicos, minerais, cimento, catalisadores, materiais para baterias, produtos farmacêuticos, cosméticos e nanomateriais avançados. Pode processar partículas em suspensão em água, solventes, óleos, resinas e outros meios líquidos compatíveis.
A moagem ultrassónica requer microesferas ou esferas de moagem?
Não. A redução ultrassónica do tamanho das partículas não requer meios de moagem convencionais. As colisões entre partículas promovidas pela cavitação proporcionam o efeito de moagem. A eliminação das microesferas e esferas reduz o risco de contaminação associada aos meios de moagem e elimina a necessidade da sua separação, limpeza, substituição e eliminação.
Os sonicadores Hielscher podem processar suspensões com elevado teor de sólidos?
Sim. Os processadores ultrassónicos Hielscher podem tratar suspensões altamente concentradas e viscosas. Um elevado teor de sólidos reduz o volume de líquido que é necessário processar e pode intensificar as colisões entre partículas, tornando a moagem ultrassónica atrativa para suspensões concentradas e para a produção de masterbatch.
A moagem ultrassónica produz uma distribuição estreita do tamanho das partículas?
A exposição uniforme à zona de cavitação ultrassónica favorece uma distribuição estreita e homogénea do tamanho das partículas. A recirculação e o processamento contínuo em linha ajudam a assegurar um tratamento consistente de toda a suspensão, reduzindo simultaneamente o número de partículas demasiado grandes ou insuficientemente processadas.
Que parâmetros da moagem ultrassónica podem ser controlados?
Os parâmetros importantes incluem a amplitude ultrassónica, a energia fornecida, a pressão, a temperatura, o caudal, o tempo de residência e a concentração de sólidos. O controlo preciso permite ajustar o processo para uma desaglomeração suave, uma moagem fina intensiva ou uma nanodispersão reprodutível.
A moagem ultrassónica por via húmida é energeticamente eficiente?
A energia ultrassónica é transferida diretamente para a suspensão onde ocorre a redução do tamanho das partículas. As forças rápidas de cavitação podem encurtar os ciclos de processamento e reduzir as necessidades energéticas em comparação com alguns métodos de moagem convencionais. O consumo real de energia depende do material, do tamanho de partícula pretendido, da capacidade de processamento e da configuração do processo.
A moagem ultrassónica pode funcionar de forma contínua?
Sim. Os sonicadores Hielscher podem ser integrados com reatores de célula de fluxo para a moagem contínua por via húmida em linha. O processamento em linha permite um tempo de residência controlado, uma qualidade consistente do produto, uma elevada capacidade de processamento e uma integração simples em linhas de produção industrial existentes.
É possível aumentar a escala de um processo de moagem ultrassónica?
A moagem ultrassónica pode ser desenvolvida com um sonicador laboratorial e transferida para equipamentos piloto ou industriais utilizando parâmetros de processo definidos e uma energia específica fornecida. A Hielscher disponibiliza sonicadores de sonda para ensaios em pequena escala, desenvolvimento de processos e produção comercial contínua.
Como seleciono o sonicador Hielscher adequado?
A seleção do sonicador depende do material, do volume da suspensão, do teor de sólidos, da viscosidade, do tamanho inicial das partículas, do tamanho final necessário e da capacidade de processamento pretendida. Um ensaio de moagem pode ajudar a determinar a amplitude ideal, as necessidades energéticas, a geometria da sonda e a configuração por lotes ou em linha.
Saiba mais sobre o laboratório de processos da Hielscher para os seus ensaios de viabilidade e a otimização dos seus processos.
Bibliografia / Referências
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UIP1000hd
Imagens de microscopia que mostram a evolução da moagem ultrassónica de cerâmica dentária