Moagem ultrassónica em meio líquido: partículas finas, concebidas com precisão

Os sonicadores da Hielscher são equipamentos de moagem eficientes para a redução do tamanho das partículas com elevada eficiência, a nanodispersão e a emulsificação, através de cavitação ultrassónica controlada e de alta intensidade. Concebidos tanto para a investigação como para a escala industrial, estes sistemas decompõem de forma fiável aglomerados, refinam pós e criam suspensões homogéneas em setores como o farmacêutico, o cosmético, o dos nanomateriais e o dos produtos químicos especializados.

Do pó grosso às micropartículas e nanopartículas uniformes

Os sonicadores do tipo sonda da Hielscher proporcionam uma moagem em meio líquido e uma moagem fina potentes e controláveis com precisão – sem esferas, bolas ou outros meios de moagem. Produza pastas homogéneas com elevado teor de sólidos e distribuições granulométricas estreitas, ao mesmo tempo que encurta o tempo de processamento e reduz o consumo de energia.
Ao tirar partido de um controlo preciso da amplitude e da propagação avançada das ondas acústicas, os sonicadores alcançam resultados uniformes com um impacto térmico mínimo, preservando os compostos sensíveis e maximizando simultaneamente o rendimento e a reprodutibilidade. Descubra como a moagem por ultrassons pode otimizar o seu fluxo de trabalho de formulação e elevar o desempenho do produto.

Quem deve recorrer à moagem húmida por ultrassons?

• Fabricantes que necessitam de uma redução controlada de partículas com dimensões na ordem dos mícrons ou nanómetros
• Fabricantes de pigmentos, tintas, pinturas e revestimentos de alto desempenho
• Processadores de cerâmica, 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 pastas altamente concentradas ou viscosas
• Laboratórios que desenvolvem processos escaláveis de redução do tamanho das partículas
• Fabricantes que procuram uma distribuição granulométrica estreita e uniforme
• Operações que pretendem evitar a contaminação por esferas ou bolas de moagem
• Produtores que pretendem reduzir o tempo de moagem, o consumo de energia e as necessidades de limpeza

Redução controlada do tamanho das partículas com ultrassom de alta potência

A redução das partículas para a ordem dos mícrons ou nanómetros 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. No entanto, os moinhos convencionais de esferas, perlas e meios de moagem podem introduzir partículas de desgaste, exigem uma separação laboriosa dos meios de moagem e têm dificuldade em proporcionar um tratamento consistente em altas concentrações de sólidos. A moagem húmida por ultrassons oferece uma alternativa limpa e controlável.
Os sonicadores do tipo sonda da Hielscher transmitem ultrassons de alta intensidade diretamente para um líquido ou pasta. As ondas de pressão alternadas criam cavitação acústica: formam-se bolhas microscópicas que colapsam com extrema intensidade, gerando jatos de líquido a alta velocidade, ondas de choque e poderosas forças de cisalhamento. Estas forças fazem com que as partículas em suspensão colidam 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 – até ao nível micro e nano.
 

Trihidrato de alumina moído por ultrassons
O AL(OH)₃ foi fornecido pela Alcoa World Alumina LLC, de Pittsburgh, PA, EUA. O AL(OH)₃ é também conhecido como trihidróxido de alumínio da série ATH, alumina hidratada da Bayer, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hidragilite ou gibbsita. Tem uma dureza na escala de Mohs’ dureza de 2,5 a 3,5.

Distribuição do tamanho das partículas precisa, repetível e uniforme

A moagem por ultrassons é altamente ajustável. Os operadores podem controlar a amplitude, a energia aplicada, a pressão, a temperatura, o tempo de permanência e o caudal, de modo a adaptar o processo ao material e ao tamanho de partícula pretendido. Isto torna o processo adequado para tudo, desde a desaglomeração suave até à moagem fina intensiva. As configurações de recirculação e de célula de fluxo em linha expõem a pasta de forma uniforme à zona de cavitação, garantindo resultados reprodutíveis e uma distribuição granulométrica estreita e homogénea.
Este nível de controlo é importante para pigmentos, tintas, revestimentos, cerâmicas, óxidos metálicos, minerais, catalisadores, produtos farmacêuticos e outros materiais avançados, nos quais partículas de dimensão excessiva ou uma distribuição ampla podem comprometer a qualidade. Os parâmetros de processo estabelecidos em laboratório podem ser transferidos para a produção-piloto e industrial, permitindo o desenvolvimento sistemático e o aumento de escala.

Processamento com elevado teor de sólidos sem meios de moagem

Uma vez que a redução das partículas é impulsionada pela cavitação e pelas colisões entre as próprias partículas, não são necessárias esferas, pérolas nem bolas de moagem. A eliminação dos meios de moagem evita uma potencial fonte de contaminação e elimina a necessidade de adquirir, limpar, substituir e separar os meios da pasta final. A geometria molhada simples também facilita a limpeza e a mudança de produto.
Os sonicadores da Hielscher podem processar suspensões altamente concentradas e viscosas. Uma elevada carga de sólidos significa menos líquido para tratar e, em muitos casos, menos concentração ou secagem a jusante. Também pode reforçar o efeito de moagem entre partículas, aumentando a frequência das colisões entre as mesmas. Esta combinação torna a moagem ultrassónica especialmente atrativa para masterbatches concentrados e suspensões à escala de produção.
 

Imagens de microscópio que mostram o progresso da moagem por ultrassons de pigmentos magenta à base de óleo

Exemplos: Moagem em meio líquido de nanopartículas com ultrassom de alta potência

A moagem por ultrassons é especialmente adequada para o processamento de materiais com dimensões na ordem dos microns e nanômetros, tais como cerâmicas, trihidrato de alumina, sulfato de bário, carbonato de cálcio e óxidos metálicos. As tabelas abaixo mostram imagens microscópicas da moagem de trihidrato de alumina (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 microscópicas nesta página mostram o progresso da moagem ultrassónica nos exemplos de cerâmicas dentárias, pigmentos magenta, carbonato de sódio e alumina hidratada.
 

Imagens de microscópio que mostram o progresso da moagem por ultrassons do carbonato de sódio (Na₂CO₃) em isopropanol.

Maior rendimento em cada etapa do processo

A energia ultrassónica é aplicada diretamente na pasta, onde ocorre a redução do tamanho das partículas. As forças de cavitação de ação rápida podem encurtar os ciclos de moagem, enquanto a conversão eficiente da energia elétrica em movimento mecânico pode reduzir o consumo de energia em comparação com os equipamentos de moagem convencionais. O processamento contínuo em linha contribui ainda mais para um elevado rendimento, uma qualidade consistente e a integração nas linhas de produção existentes.
Para os fabricantes que procuram partículas mais pequenas, distribuições mais restritas, um processamento mais limpo e uma ampliação de escala eficiente, os sonicadores de sonda da Hielscher transformam a moagem a húmido num processo concebido com precisão – desde ensaios laboratoriais até à produção industrial contínua.

Funcionamento contínuo para elevado rendimento

Os homogeneizadores ultrassónicos são muito fáceis de instalar e operar. Existem apenas duas peças em contacto com o material a ser moído: o sonotrodo de titânio e a célula de fluxo em aço inoxidável. Graças ao design simples da célula de fluxo ultrassónica, as unidades podem ser limpas rapidamente. Como os dispositivos ultrassónicos da Hielscher apresentam uma eficiência muito elevada na conversão de energia elétrica em energia mecânica, é geralmente necessária menos potência para a moagem ultrassónica do que para os equipamentos de moagem convencionais.

Sonicador industrial UIP6000hdT (6 kW) para a dispersão simultânea de pigmentos e a esterilização microbiana de formulações de tintas e revestimentos à base de água [/caption]O efeito de moagem das partículas baseia-se na cavitação ultrassónica intensa. Ao submeter líquidos a sonicação a altas intensidades, as ondas sonoras que se propagam no meio líquido resultam em ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com frequências que dependem da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultrassónicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume em que já não conseguem absorver energia, colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. Este fenómeno é denominado cavitação.
A implosão das bolhas de cavitação resulta em micro-turbulências e micro-jactos de até 1000km/hr. As partículas de grandes dimensões estão sujeitas à erosão da superfície (através do colapso da cavitação no líquido circundante) ou à redução do tamanho das partículas (devido à cisão por colisão entre partículas ou ao colapso das bolhas de cavitação formadas na superfície). Isto leva a uma forte aceleração da difusão, dos processos de transferência de massa e das reacções em fase sólida devido à alteração da estrutura e da dimensão dos cristalitos.

Estão disponíveis processadores ultrassónicos e células de fluxo para a dispersão e a moagem húmida de pós, tanto a nível laboratorial como 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 equipamentos de laboratório ou o UIP1000hd.

Os nanodiamantes podem ser dispersos de forma eficiente e fiável utilizando ultrasonicators Hielscher.

Literatura / Referências