Ультразвуковое мокрое измельчение: мелкие частицы, созданные с высокой точностью

Ультразвуковые устройства компании Hielscher представляют собой эффективное оборудование для измельчения, обеспечивающее высокоэффективное уменьшение размера частиц, нанодиспергирование и эмульгирование за счет контролируемой ультразвуковой кавитации высокой интенсивности. Разработанные как для научно-исследовательских, так и для промышленных целей, эти системы надёжно разрушают агломераты, измельчают порошки и создают однородные суспензии в таких отраслях, как фармацевтика, косметика, наноматериалы и специальные химические вещества.

От крупного порошка до однородных микро- и наночастиц

Ультразвуковые устройства компании Hielscher зондового типа обеспечивают мощное и точно регулируемое мокрое измельчение и тонкое дробление – без использования шариков, кульок или других измельчающих элементов. Позволяет получать однородные суспензии с высоким содержанием твердого вещества и узким распределением частиц по размерам, сокращая при этом время обработки и снижая энергопотребление.
Благодаря точному регулированию амплитуды и передовым технологиям распространения акустических волн ультразвуковые измельчители обеспечивают равномерные результаты с минимальным тепловым воздействием, сохраняя чувствительные соединения и одновременно максимально повышая производительность и воспроизводимость. Узнайте, как ультразвуковое измельчение может оптимизировать процесс разработки рецептур и повысить эффективность вашей продукции.

Кому рекомендуется использовать ультразвуковое мокрое измельчение?

• Производители, которым требуется контролируемое уменьшение размера частиц до микро- или нанометрового уровня
• Производители пигментов, чернил, красок и высокоэффективных покрытий
• Устройства для обработки керамики, минералов, цемента и оксидов металлов
• Разработчики рецептур фармацевтических и косметических средств, создающие мелкодисперсные суспензии
• Производители аккумуляторов, катализаторов и передовых материалов
• Предприятия, занимающиеся переработкой высококонцентрированных или вязких суспензий
• Лаборатории, занимающиеся разработкой масштабируемых процессов измельчения частиц
• Производители, которым требуется узкий и однородный диапазон размеров частиц
• Производственные процессы, в которых необходимо избежать загрязнения фрезерными шайбами или шариками
• Производители, стремящиеся сократить время помола, снизить энергопотребление и уменьшить объем необходимых очистных работ

Контролируемое измельчение частиц с помощью мощного ультразвука

Уменьшение размера частиц до микронного или нанометрового диапазона может кардинально изменить состав препарата. Более мелкие частицы способны улучшить реакционную способность, стабильность, площадь поверхности, оптические свойства и эксплуатационные характеристики конечного продукта. Однако традиционные шаровые, бисерные и абразивные мельницы могут приводить к появлению частиц износа, требуют трудоемкого отделения абразивного материала и с трудом обеспечивают стабильную обработку при высоких концентрациях твердых веществ. Ультразвуковое мокрое измельчение представляет собой чистую и контролируемую альтернативу.
Зондовые ультразвуковые устройства компании Hielscher передают высокоинтенсивный ультразвук непосредственно в жидкость или суспензию. Переменные волны давления вызывают акустическую кавитацию: микроскопические пузырьки образуются и разрушаются с чрезвычайной интенсивностью, генерируя высокоскоростные струи жидкости, ударные волны и мощные сдвиговые силы. Эти силы ускоряют столкновения взвешенных частиц друг с другом. В результате межчастичных столкновений, фрагментации и эрозии поверхности происходит разрушение агломератов – и, при достаточно экстремальных условиях, первичные частицы – до микро- и наноразмеров.
 

Тригидрат оксида алюминия, измельчённый ультразвуком
AL(OH)₃ был поставлен компанией Alcoa World Alumina LLC, Питтсбург, Пенсильвания, США. AL(OH)₃ также известен как тригидроксид алюминия серии ATH, гидратированный оксид алюминия «Байер», C-30, KB-30, KC-30, KH-30, гидрагиллит или гиббсит. Он имеет твердость по шкале Мооса’ твердость от 2,5 до 3,5.

Точное, воспроизводимое и однородное распределение частиц по размерам

Ультразвуковое измельчение отличается высокой степенью регулируемости. Операторы могут контролировать амплитуду, подаваемую энергию, давление, температуру, время пребывания и расход, чтобы адаптировать процесс к особенностям материала и требуемому размеру частиц. Благодаря этому процесс подходит для любых задач — от щадящего деагломерации до интенсивного тонкого измельчения. Конфигурации с рециркуляцией и проточными ячейками обеспечивают равномерное воздействие кавитационной зоны на суспензию, что способствует получению воспроизводимых результатов и узкого, однородного распределения частиц по размерам.
Такой уровень контроля имеет большое значение для пигментов, красок, покрытий, керамики, оксидов металлов, минералов, катализаторов, фармацевтических препаратов и других высокотехнологичных материалов, в которых наличие частиц чрезмерного размера или широкий диапазон гранулометрического состава может негативно повлиять на качество. Параметры технологического процесса, определенные в лабораторных условиях, могут быть перенесены на пилотное и промышленное производство, что обеспечивает систематическую разработку и масштабирование.

Обработка с высоким содержанием твердых частиц без использования измельчающих элементов

Поскольку измельчение частиц происходит за счет кавитации и столкновений между самими частицами, использование гранул, жемчужин или измельчающих шариков не требуется. Отказ от измельчающих тел позволяет исключить потенциальный источник загрязнения и избавляет от необходимости их закупки, очистки, замены и отделения от готовой суспензии. Простая конструкция смачиваемых поверхностей также облегчает очистку и смену продукта.
Ультразвуковые устройства компании Hielscher способны обрабатывать высококонцентрированные и вязкие суспензии. Высокая доля твердых частиц означает меньший объем жидкости, с которой приходится работать, и, во многих случаях, меньшую степень последующей концентрации или сушки. Это также может усилить эффект измельчения между частицами за счет увеличения частоты их столкновений. Такое сочетание делает ультразвуковое измельчение особенно привлекательным для концентрированных маточных смесей и суспензий, производимых в промышленных масштабах.
 

Микроскопические снимки, демонстрирующие ход ультразвукового измельчения магентовых пигментов на масляной основе

Примеры: Мокрое измельчение наночастиц с помощью мощного ультразвука

Ультразвуковое измельчение особенно хорошо подходит для обработки материалов с размерами частиц в микро- и нанодиапазоне, таких как керамика, тригидрат оксида алюминия, сульфат бария, карбонат кальция и оксиды металлов. В приведенных ниже таблицах представлены микроскопические изображения, полученные в процессе измельчения тригидрата оксида алюминия (с 150 микрон до 10 микрон), керамики (с 30 микрон до 2 микрон) и карбоната натрия (с 70 микрон до 3 микрон). Микроскопические изображения на этой странице демонстрируют ход ультразвукового измельчения на примерах стоматологической керамики, маджентовых пигментов, карбоната натрия и гидратированного оксида алюминия.
 

Изображения, полученные с помощью микроскопа, демонстрирующие ход ультразвукового измельчения карбоната натрия (Na₂CO₃) в изопропаноле.

Больший объем продукции на каждом этапе переработки

Ультразвуковая энергия подается непосредственно в суспензию, где происходит измельчение частиц. Быстродействующие кавитационные силы позволяют сократить циклы измельчения, а эффективное преобразование электрической энергии в механическое движение — снизить энергопотребление по сравнению с традиционным измельчающим оборудованием. Непрерывная поточная обработка дополнительно способствует обеспечению высокой производительности, стабильного качества и интеграции в существующие производственные линии.
Для производителей, которым требуются более мелкие частицы, более узкие гранулометрические распределения, более чистый технологический процесс и эффективное масштабирование, ультразвуковые устройства Hielscher зондового типа превращают мокрое измельчение в точно спроектированный технологический процесс – от лабораторных испытаний до серийного промышленного производства.

Непрерывная работа для обеспечения высокой пропускной способности

Ультразвуковые гомогенизаторы очень просты в установке и эксплуатации. С перерабатываемым материалом соприкасаются лишь две детали: титановый сонотрод и проточная камера из нержавеющей стали. Благодаря простой конструкции ультразвуковой проточной камеры оборудование можно быстро очистить. Поскольку ультразвуковые устройства Hielscher обладают очень высоким КПД при преобразовании электрической энергии в механическую, для ультразвукового измельчения, как правило, требуется меньшая мощность, чем для традиционного измельчающего оборудования.

Промышленный ультразвуковой аппарат UIP6000hdT (6 кВт) для одновременной дисперсии пигментов и стерилизации микроорганизмов в составах водорастворимых красок и покрытий [/caption]Эффект измельчения частиц основан на интенсивной ультразвуковой кавитации. При обработке жидкостей ультразвуком с высокой интенсивностью звуковые волны, распространяющиеся в жидкой среде, приводят к чередованию циклов высокого давления (сжатия) и низкого давления (разрежения), частота которых зависит от частоты ультразвука. Во время цикла низкого давления высокоинтенсивные ультразвуковые волны создают в жидкости мелкие вакуумные пузырьки или пустоты. Когда пузырьки достигают объема, при котором они больше не могут поглощать энергию, они бурно разрушаются во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитацией.
Имплозия кавитационных пузырьков приводит к микротурбулентностям и микроструям со скоростью до 1000 км/ч. Крупные частицы подвержены поверхностной эрозии (через кавитационный коллапс в окружающей жидкости) или уменьшению размера частиц (из-за деления в результате столкновения между частицами или схлопывания образовавшихся на поверхности кавитационных пузырьков). Это приводит к резкому ускорению процессов диффузии, массопереноса и твердофазных реакций из-за изменения размера и структуры кристаллитов.

Ультразвуковые процессоры и проточные камеры для диспергирования и мокрого измельчения порошков доступны как для лабораторного, так и для промышленного уровня. Промышленные системы можно легко дооснастить для работы в потоке. Для научных исследований и испытаний данного процесса, а также для многих других сонохимических процессов мы рекомендуем наши лабораторные приборы или модель UIP1000hd.

Наноалмазы могут быть эффективно и надежно диспергированы с помощью ультразвуковых аппаратов Хильшера.

Литература / Литература