Măcinarea umedă cu ultrasunete: particule fine, obținute cu precizie
Sonicatoarele Hielscher reprezintă echipamente eficiente de măcinare pentru reducerea cu randament ridicat a dimensiunii particulelor, nanodispersie și emulsificare prin cavitație ultrasonică controlată, de intensitate ridicată. Concepute atât pentru cercetare, cât și pentru aplicații la scară industrială, aceste sisteme descompun în mod fiabil aglomeratele, rafinează pulberile și creează suspensii omogene în domenii precum produsele farmaceutice, cosmetice, nanomaterialele și produsele chimice de specialitate.
De la pulbere grosieră la microparticule și nanoparticule uniforme
Sonicatoarele de tip sondă Hielscher asigură o măcinare umedă și o măcinare fină puternică, controlabilă cu precizie – fără bile, sfere sau alte corpuri de măcinare. Se obțin suspensii omogene, cu conținut ridicat de solide și distribuții înguste ale dimensiunilor particulelor, reducând în același timp durata procesării și consumul de energie.
Prin utilizarea unui control precis al amplitudinii și a propagării avansate a undelor acustice, sonicatoarele obțin rezultate uniforme cu un impact termic minim, protejând compușii sensibili și maximizând în același timp randamentul și reproductibilitatea. Descoperiți cum măcinarea cu ultrasunete poate eficientiza fluxul de lucru al formulării și poate îmbunătăți performanța produsului.
Cine ar trebui să utilizeze măcinarea umedă cu ultrasunete?
- Producătorii care au nevoie de o reducere controlată a particulelor la dimensiuni de ordinul micronilor sau nanometrilor
- Producători de pigmenți, cerneluri, vopsele și acoperiri de înaltă performanță
- Procesoare din ceramică, minerale, ciment și oxizi metalici
- Specialiști în formularea produselor farmaceutice și cosmetice care dezvoltă suspensii fine
- Producători de baterii, catalizatori și materiale avansate
- Întreprinderi care prelucrează suspensii cu concentrație ridicată sau vâscoase
- Laboratoare care dezvoltă procese scalabile de reducere a dimensiunii particulelor
- Producătorii care doresc o distribuție îngustă și uniformă a dimensiunilor particulelor
- Operațiuni care doresc să evite contaminarea cu bile sau granule de frezare
- Producătorii care doresc să reducă durata procesului de măcinare, consumul de energie și efortul necesar pentru curățare
Spuneți-ne care sunt materialul utilizat, încărcătura de solide și dimensiunea țintă a particulelor. Echipa noastră de experți în sonicare vă va recomanda o configurație de sonicare pentru o măcinare îmbunătățită a particulelor.
Sonicator industrial de 16.000 de wați, model UIP16000hdT pentru măcinarea în mediu umed a pigmenților și a nanoparticulelor
Reducerea controlată a dimensiunii particulelor cu ajutorul ultrasunetelor de putere
Reducerea dimensiunii particulelor la nivel de microni sau nanometri poate transforma o formulă. Particulele mai fine pot îmbunătăți reactivitatea, stabilitatea, suprafața specifică, proprietățile optice și performanța produsului final. Cu toate acestea, morile convenționale cu bile, cu perle și cu mediu de măcinare pot introduce particule rezultate din uzură, necesită o separare laborioasă a mediului de măcinare și au dificultăți în asigurarea unui tratament uniform la concentrații ridicate de solide. Măcinarea umedă cu ultrasunete oferă o alternativă curată și controlabilă.
Sonicatoarele de tip sondă Hielscher transmit ultrasunete de intensitate ridicată direct într-un lichid sau într-o suspensie. Undele de presiune alternante produc cavitație acustică: se formează și se prăbușesc bule microscopice cu o intensitate extremă, generând jeturi de lichid de mare viteză, unde de șoc și forțe de forfecare puternice. Aceste forțe accelerează particulele suspendate, determinându-le să se ciocnească între ele. Coliziunile dintre particule, fragmentarea și eroziunea suprafețelor care rezultă din acestea reduc aglomeratele – și, în condiții suficient de intense, particulele primare – până 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 din seria ATH, alumină hidratată Bayer, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hidragilită sau gibbsit. Are o duritate Mohs’ duritate cuprinsă între 2,5 și 3,5.
Reactoare cu ultrasunete flow-through pentru producția industrială inline de suspensii de nanoparticule.
Distribuție precisă, repetabilă și uniformă a dimensiunilor particulelor
Măcinarea cu ultrasunete este extrem de adaptabilă. Operatorii pot controla amplitudinea, energia aplicată, presiunea, temperatura, timpul de staționare și debitul, pentru a se adapta la material și la dimensiunea dorită a particulelor. Acest lucru face ca procesul să fie potrivit pentru o gamă largă de aplicații, de la deaglomerarea delicată până la măcinarea fină intensivă. Configurațiile cu recirculare și cu celulă de curgere în linie expun suspensia în mod uniform la zona de cavitație, asigurând rezultate reproductibile și o distribuție îngustă și omogenă a dimensiunii particulelor.
Acest nivel de control este esențial 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 mai mare.
Procesare cu conținut ridicat de substanță solidă fără agenți de măcinare
Deoarece reducerea particulelor se realizează prin cavitație și prin coliziunile dintre particule, nu sunt necesare bile, perle sau bile de măcinare. Eliminarea corpurilor de măcinare evită o sursă potențială de contaminare și elimină necesitatea achiziționării, curățării, înlocuirii și separării acestora din suspensia finală. Geometria simplă a părților aflate în contact cu lichidul facilitează, de asemenea, curățarea și schimbarea produsului.
Sonicatoarele Hielscher pot prelucra suspensii foarte concentrate și vâscoase. O încărcătură ridicată de solide înseamnă mai puțin lichid de manipulat și, în multe cazuri, o concentrare sau uscare ulterioară mai redusă. De asemenea, aceasta poate intensifica efectul de măcinare între particule prin creșterea frecvenței 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 obținute la microscop care ilustrează evoluția procesului de măcinare cu ultrasunete a pigmenților magenta pe bază de ulei
Exemple: Măcinarea în mediu umed a nanoparticulelor cu ajutorul ultrasunetelor de putere
Măcinarea cu ultrasunete este deosebit de potrivită pentru prelucrarea materialelor cu dimensiuni de ordinul micronilor și nanometrilor, precum ceramica, trihidratul de alumină, sulfatul de bariu, carbonatul de calciu și oxizii metalici. Tabelele de mai jos prezintă imagini microscopice ale procesului de măcinare a trihidratului de alumină (de la 150 microni până la 10 microni), a ceramicii (de la 30 microni până la 2 microni) și a carbonatului de sodiu (de la 70 microni până la 3 microni). Imaginile microscopice de pe această pagină vă arată evoluția procesului de măcinare cu ultrasunete pe baza exemplelor de ceramică dentară, pigmenți magenta, carbonat de sodiu și alumină hidratată.
Imagini obținute la microscop care ilustrează evoluția procesului de măcinare cu ultrasunete a carbonatului de sodiu (Na₂CO₃) în izopropanol.
Vopseaua de cretă sonicată pe grindometru demonstrează dezaglomerarea perfect uniformă și distribuția dimensiunii particulelor pigmenților
Dispersia cu ultrasunete asigură o reducere eficientă a dimensiunii particulelor și o distribuție uniformă a pigmenților negri de fum în cerneală UV.
Randament mai mare la fiecare etapă de prelucrare
Energia ultrasonică este transmisă direct în suspensie, 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 consumul de energie în comparație cu echipamentele convenționale de măcinare. Prelucrarea continuă în linie contribuie, de asemenea, la un randament ridicat, la o calitate constantă și la integrarea în liniile de producție existente.
Pentru producătorii care doresc particule mai mici, distribuții mai uniforme, o prelucrare mai curată și o extindere eficientă a producției, sonicatoarele cu sondă Hielscher transformă măcinarea în mediu umed într-un proces proiectat cu precizie – de la testele de laborator la producția industrială continuă.
Funcționare continuă pentru un randament ridicat
Omogenizatoarele cu ultrasunete sunt foarte ușor de instalat și de utilizat. Există doar două componente care intră în contact cu materialul de măcinat: sonotrodul din titan și celula de curgere din oțel inoxidabil. Datorită designului simplu al celulei de curgere cu ultrasunete, 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 o putere mai mică pentru măcinarea cu ultrasunete decât pentru echipamentele convenționale de măcinare.
Sonicator industrial UIP6000hdT (6 kW) pentru dispersarea simultană a pigmenților și sterilizarea microbiană a formulelor de vopsele și acoperiri pe bază de apă [/caption]Efectul de măcinare a particulelor se bazează pe cavitația ultrasonică intensă. Atunci când se tratează lichidele cu ultrasunete la intensități ridicate, undele sonore care se propagă în mediul lichid generează cicluri alternante de înaltă presiune (compresie) și joasă presiune (rarefiere), cu frecvențe care depind de frecvența undelor. În timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de intensitate ridicată creează mici bule de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, acestea se prăbușesc violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Acest fenomen se numește cavitație.
Implozia bulelor de cavitație are ca rezultat micro-turbulențe și micro-jeturi de până la 1000 km / oră. Particulele mari sunt supuse eroziunii de suprafață (prin colapsul cavitației în lichidul înconjurător) sau reducerii dimensiunii particulelor (datorită fisiunii prin coliziune inter-particule sau prăbușirea bulelor de cavitație formate pe suprafață). Acest lucru duce la accelerarea bruscă a difuziei, a proceselor de transfer de masă și a reacțiilor în fază solidă datorită schimbării dimensiunii cristalitului și a structurii.
Procesoarele cu ultrasunete și celulele de curgere pentru dispersarea și măcinarea umedă a pulberilor sunt disponibile atât pentru utilizare în laborator, cât și la nivel de producție. Sistemele industriale pot fi ușor adaptate pentru a funcționa în linie. Pentru cercetarea și testarea acestui proces, precum și pentru numeroase procese sonochimice, recomandăm aparatele noastre de laborator sau modelul UIP1000hd.
Nanodiamantele pot fi eficiente și dispersate în mod fiabil folosind ultrasonicators Hielscher.
Întrebări frecvente despre măcinarea umedă cu ultrasunete
Ce este măcinarea umedă cu ultrasunete?
Măcinarea umedă cu ultrasunete este un proces de reducere a dimensiunii particulelor în care se aplică ultrasunete de mare putere asupra unei suspensii lichide. Cavitația acustică generează forțe de forfecare intense, unde de șoc și coliziuni între particule, care rup aglomeratele și reduc particulele solide la dimensiuni de ordinul micronilor sau nanometrilor.
Cum reduce un sonicator de tip sondă dimensiunea particulelor?
Sonda ultrasonică, sau sonotrodul, transmite unde ultrasonice de intensitate ridicată direct în suspensie. Se formează și se sparg bule de cavitație, generând jeturi de lichid de mare viteză care accelerează particulele, determinându-le să se ciocnească între ele. Aceste coliziuni determină fragmentarea particulelor, eroziunea suprafeței și dezaglomerarea eficientă.
Se pot produce nanoparticule prin măcinarea umedă cu ultrasunete?
Da. Sonicatoarele de tip sondă Hielscher pot fi utilizate pentru micronizare și nano-dimensiuni controlate. Dimensiunea particulelor care poate fi obținută depinde de material, de dimensiunea inițială a particulelor, de compoziția suspensiei, de concentrația de substanțe solide, de intensitatea procesării, de temperatură, de presiune și de durata sonicației.
Ce materiale pot fi prelucrate prin frezare cu ultrasunete?
Măcinarea umedă cu ultrasunete este potrivită pentru pigmenți, cerneluri, ceramică, oxizi metalici, minerale, ciment, catalizatori, materiale pentru baterii, produse farmaceutice, cosmetice și nanomateriale avansate. Aceasta permite prelucrarea particulelor suspendate în apă, solvenți, uleiuri, rășini și alte medii lichide compatibile.
Măcinarea cu ultrasunete necesită utilizarea unor bile sau perle de măcinare?
Nu. Reducerea dimensiunii particulelor prin ultrasunete nu necesită corpuri de măcinare convenționale. Efectul de măcinare este obținut prin coliziunile dintre particule generate de cavitație. Eliminarea bilelor și a sferelor reduce riscul de contaminare cauzată de acestea și elimină necesitatea separării, curățării, înlocuirii și eliminării lor.
Aparatele de sonicare Hielscher pot prelucra suspensii cu conținut ridicat de solide?
Da. Procesoarele cu ultrasunete Hielscher pot prelucra suspensii cu concentrație ridicată și vâscozitate mare. Conținutul ridicat de solide reduce volumul de lichid care trebuie prelucrat și poate intensifica coliziunile dintre particule, ceea ce face ca măcinarea cu ultrasunete să fie o opțiune atractivă pentru pastele concentrate și producția de masterbatch.
Frezarea cu ultrasunete duce la o distribuție îngustă a dimensiunilor particulelor?
Expunerea uniformă la zona de cavitație ultrasonică favorizează o distribuție îngustă și omogenă a dimensiunilor particulelor. Recircularea și prelucrarea continuă în linie contribuie la asigurarea unui tratament uniform al întregii suspensii, reducând în același timp numărul de particule supradimensionate sau insuficient prelucrate.
Ce parametri ai frezării cu ultrasunete pot fi controlați?
Printre parametrii importanți se numără amplitudinea ultrasunetelor, energia de intrare, presiunea, temperatura, debitul, timpul de staționare și concentrația de solide. Controlul precis permite adaptarea procesului pentru o deaglomerare delicată, o măcinare fină intensivă sau o nanodispersie reproductibilă.
Măcinarea umedă cu ultrasunete este eficientă din punct de vedere energetic?
Energia ultrasonică este transferată direct în suspensie, unde are loc reducerea dimensiunii particulelor. Forțele cavitaționale rapide pot scurta ciclurile de procesare și pot reduce consumul de energie în comparație cu unele metode convenționale de măcinare. Consumul real de energie depinde de material, de dimensiunea țintă a particulelor, de randament și de configurația procesului.
Frezarea cu ultrasunete poate fi realizată în mod continuu?
Da. Sonicatoarele Hielscher pot fi integrate cu reactoare cu celulă de curgere pentru măcinarea umedă continuă în linie. Prelucrarea în linie permite controlul timpului de staționare, asigură o calitate constantă a produsului, un randament ridicat și o integrare simplă în liniile de producție industriale existente.
Se poate extinde la scară mai mare un proces de frezare cu ultrasunete?
Măcinarea cu ultrasunete poate fi dezvoltată cu ajutorul unui sonicator de laborator și transferată către echipamente pilot sau industriale, utilizând parametri de proces definiți și un aport specific de energie. Hielscher oferă sonicatoare cu sondă pentru testare la scară mică, dezvoltarea proceselor și producția comercială continuă.
Cum pot alege aparatul de sonicare Hielscher potrivit?
Alegerea sonicatorului depinde de material, de volumul suspensiei, de concentrația de solide, de vâscozitate, de dimensiunea inițială a particulelor, de dimensiunea finală dorită și de randamentul dorit. Un test de măcinare poate ajuta la determinarea amplitudinii optime, a necesarului de energie, a geometriei sondei și a configurației în lot sau în linie.
Aflați mai multe despre laboratorul de proces Hielscher pentru testele de fezabilitate și optimizarea proceselor.
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.
- 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
Imagini obținute la microscop care ilustrează evoluția procesului de frezare cu ultrasunete a ceramicii dentare