Măcinare umedă cu ultrasunete: particule fine, proiectate cu precizie

Sonicatoarele Hielscher sunt echipamente de măcinare eficiente pentru reducerea foarte eficientă a dimensiunii particulelor, nanodispersie și emulsionare prin cavitație ultrasonică controlată, de mare intensitate. Proiectate atât pentru cercetare, cât și pentru scară industrială, aceste sisteme descompun în mod fiabil aglomeratele, rafinează pulberile și creează suspensii omogene în domenii precum produsele farmaceutice, cosmeticele, nanomaterialele și substanțele chimice de specialitate.

De la pulbere grosieră la micro- și nanoparticule uniforme

Sonicatoarele cu sondă Hielscher asigură o măcinare umedă și o măcinare fină puternice, controlabile cu precizie – fără perle, bile sau alte medii de măcinare. Produceți suspensii omogene cu conținut ridicat de solide, cu distribuții înguste ale dimensiunii particulelor, scurtând în același timp timpul de procesare și reducând necesarul de energie.
Prin valorificarea controlului precis al amplitudinii și a propagării avansate a undelor acustice, sonicatoarele obțin rezultate uniforme cu un impact termic minim, păstrând compușii sensibili și maximizând totodată capacitatea de procesare și reproductibilitatea. Descoperiți cum măcinarea cu ultrasunete vă poate eficientiza fluxul de lucru pentru formulare și poate îmbunătăți performanța produsului.

Cine ar trebui să utilizeze măcinarea umedă cu ultrasunete?

• Producători care necesită o reducere controlată a particulelor până la dimensiuni micrometrice sau nanometrice
• Producători de pigmenți, cerneluri, vopsele și acoperiri de înaltă performanță
• Procesatori de ceramică, minerale, ciment și oxizi metalici
• Formulatori farmaceutici și cosmetici care dezvoltă suspensii fine
• Producători de baterii, catalizatori și materiale avansate
• Companii care procesează suspensii foarte concentrate sau vâscoase
• Laboratoare care dezvoltă procese scalabile de reducere a dimensiunii particulelor
• Producători care urmăresc o distribuție îngustă și uniformă a dimensiunii particulelor
• Unități de producție care doresc să evite contaminarea provenită de la perlele sau bilele de măcinare
• Producători care urmăresc reducerea timpului de măcinare, a consumului de energie și a cerințelor de curățare

Reducerea controlată a dimensiunii particulelor cu ultrasunete de putere

Reducerea particulelor până în domeniul micrometric sau nanometric poate transforma o formulare. Particulele mai fine pot îmbunătăți reactivitatea, stabilitatea, suprafața specifică, proprietățile optice și performanța produsului final. Totuși, morile convenționale cu bile, cu perle și cu medii de măcinare pot introduce particule de uzură, pot necesita o separare laborioasă a mediilor de măcinare și pot avea dificultăți în a asigura un tratament uniform la concentrații ridicate de solide. Măcinarea umedă cu ultrasunete oferă o alternativă curată și controlabilă.
Sonicatoarele cu sondă Hielscher transmit ultrasunete de mare intensitate direct într-un lichid sau într-o suspensie. Undele de presiune alternantă creează cavitație acustică: bule microscopice se formează și implodează cu o intensitate extremă, generând jeturi de lichid de mare viteză, unde de șoc și forțe puternice de forfecare. Aceste forțe accelerează particulele aflate în suspensie unele spre altele. Coliziunile dintre particule, fragmentarea și eroziunea superficială rezultate reduc aglomeratele – și, în condiții suficient de intense, particulele primare – la dimensiuni micro și nano.

Trihidrat de alumină măcinat cu ultrasunete
AL(OH)3 a fost furnizat de Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, SUA. AL(OH)3 este cunoscut și sub denumirile de trihidroxid de aluminiu seria ATH, alumină hidratată Bayer, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hidrargilit sau gibbsit. Are o duritate Mohs de 2,5 până la 3,5.

Distribuție precisă, repetabilă și uniformă a dimensiunii particulelor

Măcinarea cu ultrasunete este foarte ajustabilă. Operatorii pot controla amplitudinea, aportul de energie, presiunea, temperatura, timpul de rezidență și debitul pentru a le adapta la material și la dimensiunea țintă a particulelor. Acest lucru face ca procesul să fie potrivit pentru orice, de la dezaglomerarea delicată până la măcinarea fină intensivă. Configurațiile cu recirculare și cu celulă de flux inline expun suspensia în mod uniform zonei de cavitație, susținând rezultate reproductibile și o distribuție îngustă și omogenă a dimensiunii particulelor.
Acest nivel de control este valoros pentru pigmenți, cerneluri, acoperiri, ceramică, oxizi metalici, minerale, catalizatori, produse farmaceutice și alte materiale avansate, în cazul cărora particulele supradimensionate sau o distribuție largă pot compromite calitatea. Parametrii de proces stabiliți în laborator pot fi transferați la producția pilot și industrială, permițând dezvoltarea sistematică și extinderea la scară.

Procesare cu conținut ridicat de solide fără medii de măcinare

Deoarece reducerea particulelor este determinată de cavitație și de coliziunile dintre particulele însele, nu sunt necesare perle, mărgele sau bile de măcinare. Eliminarea mediilor de măcinare evită o potențială sursă de contaminare și elimină necesitatea de a achiziționa, curăța, înlocui și separa mediile de suspensia finită. Geometria simplă a părților umezite facilitează, de asemenea, curățarea și schimbarea produsului.
Sonicatoarele Hielscher pot procesa suspensii foarte concentrate și vâscoase. O încărcare ridicată cu solide înseamnă mai puțin lichid de manipulat și, în multe cazuri, mai puțină concentrare sau uscare ulterioară. De asemenea, aceasta poate intensifica efectul de măcinare prin coliziuni între particule, crescând frecvența coliziunilor dintre particule. Această combinație face ca măcinarea cu ultrasunete să fie deosebit de atractivă pentru masterbatch-uri concentrate și suspensii la scară de producție.

Imagini la microscop care arată progresul măcinării cu ultrasunete a pigmenților magenta pe bază de ulei

Exemple: măcinarea umedă a nanoparticulelor cu ultrasunete de putere

Măcinarea cu ultrasunete este deosebit de potrivită pentru procesarea materialelor de dimensiuni micrometrice și nanometrice, precum ceramica, trihidratul de alumină, sulfatul de bariu, carbonatul de calciu și oxizii metalici. Tabelele de mai jos prezintă imagini microscopice ale măcinării trihidratului de alumină (de la 150 de microni până la 10 microni), a ceramicii (de la 30 de microni până la 2 microni) și a carbonatului de sodiu (de la 70 de microni până la 3 microni). Imaginile microscopice de pe această pagină vă arată progresul măcinării cu ultrasunete pe exemplele ceramicii dentare, pigmenților magenta, carbonatului de sodiu și aluminei hidratate.

Imagini la microscop care arată progresul măcinării cu ultrasunete a carbonatului de sodiu (Na2CO3) în izopropanol.

Mai multă producție din fiecare etapă de procesare

Energia ultrasonică este livrată direct în suspensie, acolo unde are loc reducerea dimensiunii particulelor. Forțele cavitaționale rapide pot scurta ciclurile de măcinare, în timp ce conversia eficientă a energiei electrice în mișcare mecanică poate reduce necesarul de energie comparativ cu echipamentele de măcinare convenționale. Procesarea continuă inline susține în plus o capacitate de procesare ridicată, o calitate constantă și integrarea în liniile de producție existente.
Pentru producătorii care urmăresc particule mai mici, distribuții mai înguste, o procesare mai curată și o extindere eficientă la scară, sonicatoarele cu sondă Hielscher transformă măcinarea umedă într-un proces proiectat cu precizie – de la testele de laborator până la producția industrială continuă.

Funcționare continuă pentru o capacitate de procesare ridicată

Omogenizatoarele cu ultrasunete sunt foarte ușor de instalat și de operat. Doar două părți intră în contact cu materialul de măcinat: sonotroda din titan și celula de flux din oțel inoxidabil. Datorită designului simplu al celulei de flux ultrasonice, unitățile pot fi curățate rapid. Deoarece dispozitivele cu ultrasunete Hielscher au o eficiență foarte ridicată în conversia energiei electrice în energie mecanică, în general este necesară mai puțină putere pentru măcinarea cu ultrasunete decât pentru echipamentele de măcinare convenționale.

Sonicator industrial UIP6000hdT (6kW) pentru dispersarea simultană a pigmenților și sterilizarea microbiană a formulărilor de vopsele și acoperiri pe bază de apă Efectul de măcinare a particulelor se bazează pe cavitația ultrasonică intensă. La sonicarea lichidelor la intensități ridicate, undele sonore care se propagă în mediul lichid generează cicluri alternante de presiune înaltă (compresie) și presiune joasă (rarefiere), cu rate care depind de frecvență. În timpul ciclului de presiune joasă, undele ultrasonice de mare intensitate creează mici bule de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, ele colapsează violent în timpul unui ciclu de presiune înaltă. Acest fenomen se numește cavitație.
Implozia bulelor de cavitație produce microturbulențe și microjeturi de până la 1000km/hr. Particulele mari sunt supuse eroziunii superficiale (prin colapsul cavitațional în lichidul înconjurător) sau reducerii dimensiunii particulelor (prin fisiune ca urmare a coliziunii dintre particule sau a colapsului bulelor de cavitație formate la suprafață). Aceasta duce la o accelerare puternică a difuziei, a proceselor de transfer de masă și a reacțiilor în fază solidă, ca urmare a modificării dimensiunii și structurii cristalitelor.

Procesoarele cu ultrasunete și celulele de flux pentru dispersarea și măcinarea umedă a pulberilor sunt disponibile la nivel de laborator și de producție. Sistemele industriale pot fi ușor modernizate pentru a funcționa inline. Pentru cercetarea și testarea acestui proces, precum și pentru multe procese sonochimice, vă recomandăm dispozitivele noastre de laborator sau UIP1000hd.

Nanodiamantele pot fi dispersate eficient și fiabil cu ajutorul ultrasonicatoarelor Hielscher.

Literatură / Referințe

• 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.