Ультразвуковой мокрый помол: мелкодисперсные частицы с точно заданными характеристиками

Ультразвуковые аппараты Hielscher представляют собой эффективное оборудование для высокоэффективного уменьшения размера частиц, нанодиспергирования и эмульгирования посредством контролируемой высокоинтенсивной ультразвуковой кавитации. Разработанные как для исследовательских задач, так и для промышленного масштаба, эти системы надёжно разрушают агломераты, измельчают порошки и создают однородные суспензии для фармацевтической и косметической промышленности, производства наноматериалов и специальных химических продуктов.

От крупнозернистого порошка к однородным микро- и наночастицам

Зондовые ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают мощный мокрый помол и тонкое измельчение с точным управлением – без бисера, шаров или других мелющих тел. Получайте однородные суспензии с высоким содержанием твёрдой фазы и узким распределением частиц по размерам, одновременно сокращая время обработки и потребность в энергии.
Благодаря точному управлению амплитудой и передовым методам распространения акустических волн ультразвуковые аппараты обеспечивают однородные результаты при минимальном тепловом воздействии, сохраняя чувствительные соединения и максимально повышая производительность и воспроизводимость. Узнайте, как ультразвуковой помол может упростить процесс разработки ваших рецептур и повысить эксплуатационные характеристики продукции.

Кому подходит ультразвуковой мокрый помол?

• Производителям, которым требуется контролируемое уменьшение размера частиц до микрометрового или нанометрового диапазона
• Производителям пигментов, чернил, красок и высокоэффективных покрытий
• Предприятиям, перерабатывающим керамику, минералы, цемент и оксиды металлов
• Разработчикам фармацевтических и косметических рецептур, создающим тонкодисперсные суспензии
• Производителям аккумуляторов, катализаторов и передовых материалов
• Компаниям, перерабатывающим высококонцентрированные или вязкие суспензии
• Лабораториям, разрабатывающим масштабируемые процессы уменьшения размера частиц
• Производителям, стремящимся получить узкое и однородное распределение частиц по размерам
• Предприятиям, желающим избежать загрязнения от мелющего бисера или шаров
• Производителям, стремящимся сократить время помола, энергопотребление и объём необходимых работ по очистке

Контролируемое уменьшение размера частиц с помощью мощного ультразвука

Уменьшение размера частиц до микрометрового или нанометрового диапазона может преобразить рецептуру. Более мелкие частицы могут улучшить реакционную способность, стабильность, площадь поверхности, оптические свойства и эксплуатационные характеристики конечного продукта. Однако обычные шаровые, бисерные и другие мельницы с мелющими телами могут вносить частицы износа, требовать трудоёмкого отделения мелющих тел и с трудом обеспечивать равномерную обработку при высоких концентрациях твёрдой фазы. Ультразвуковой мокрый помол предлагает чистую и управляемую альтернативу.
Зондовые ультразвуковые аппараты Hielscher передают высокоинтенсивный ультразвук непосредственно в жидкость или суспензию. Волны с чередующимся давлением создают акустическую кавитацию: микроскопические пузырьки образуются и схлопываются с чрезвычайной интенсивностью, создавая высокоскоростные струи жидкости, ударные волны и мощные силы сдвига. Эти силы ускоряют взвешенные частицы навстречу друг другу. Возникающие межчастичные столкновения, фрагментация и поверхностная эрозия уменьшают агломераты – а при достаточно интенсивных условиях и первичные частицы – до микро- и наноразмеров.
 

Тригидрат оксида алюминия, измельчённый ультразвуком
AL(OH)3 был предоставлен компанией Alcoa World Alumina LLC, Питтсбург, Пенсильвания, США. AL(OH)3 также известен как тригидроксид алюминия серии ATH, гидратированный оксид алюминия по Байеру, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, гидраргиллит или гиббсит. Его твёрдость по шкале Мооса составляет от 2,5 до 3,5.

Точное, воспроизводимое и однородное распределение частиц по размерам

Ультразвуковой помол допускает широкие возможности регулирования. Операторы могут управлять амплитудой, подводимой энергией, давлением, температурой, временем пребывания и расходом в соответствии с материалом и целевым размером частиц. Это делает процесс подходящим для задач от мягкой деагломерации до интенсивного тонкого измельчения. Рециркуляция и конфигурации с проточными ячейками, встроенными в технологическую линию, обеспечивают равномерное воздействие зоны кавитации на суспензию, способствуя воспроизводимым результатам и узкому, однородному распределению частиц по размерам.
Такой уровень управления ценен для пигментов, чернил, покрытий, керамики, оксидов металлов, минералов, катализаторов, фармацевтических препаратов и других передовых материалов, где слишком крупные частицы или широкое распределение по размерам могут ухудшить качество. Параметры процесса, установленные в лаборатории, можно перенести на опытное и промышленное производство, обеспечивая систематическую разработку и масштабирование.

Обработка материалов с высоким содержанием твёрдой фазы без мелющих тел

Поскольку уменьшение размера частиц происходит за счёт кавитации и столкновений самих частиц друг с другом, бисер, мелющие бусины или шары не требуются. Отказ от мелющих тел позволяет избежать потенциального источника загрязнения и устраняет необходимость покупать, очищать, заменять и отделять мелющие тела от готовой суспензии. Простая геометрия поверхностей, контактирующих с жидкостью, также облегчает очистку и переход на другой продукт.
Ультразвуковые аппараты Hielscher могут обрабатывать высококонцентрированные и вязкие суспензии. Высокое содержание твёрдой фазы означает меньший объём обрабатываемой жидкости и во многих случаях меньшую потребность в последующем концентрировании или сушке. Оно также может усиливать эффект межчастичного измельчения за счёт повышения частоты столкновений частиц. Такое сочетание делает ультразвуковой помол особенно привлекательным для концентрированных мастербатчей и суспензий в производственном масштабе.
 

Микроскопические изображения, показывающие ход ультразвукового помола пигментов цвета маджента на масляной основе

Примеры: мокрый помол наночастиц с помощью мощного ультразвука

Ультразвуковой помол особенно подходит для обработки материалов с частицами микро- и наноразмеров, таких как керамика, тригидрат оксида алюминия, сульфат бария, карбонат кальция и оксиды металлов. В таблицах ниже приведены микроскопические изображения помола тригидрата оксида алюминия (от 150 микрон до 10 микрон), керамики (от 30 микрон до 2 микрон) и карбоната натрия (от 70 микрон до 3 микрон). Микроскопические изображения на этой странице показывают ход ультразвукового помола на примерах стоматологической керамики, пигментов цвета маджента, карбоната натрия и гидратированного оксида алюминия.
 

Микроскопические изображения, показывающие ход ультразвукового помола карбоната натрия (Na2CO3) в изопропаноле.

Больше продукции на каждом этапе обработки

Ультразвуковая энергия передаётся непосредственно в суспензию, где происходит уменьшение размера частиц. Быстро действующие кавитационные силы могут сокращать циклы помола, а эффективное преобразование электрической энергии в механическое движение может снижать потребность в энергии по сравнению с обычным размольным оборудованием. Непрерывная обработка в потоке дополнительно способствует высокой производительности, стабильному качеству и интеграции в существующие производственные линии.
Для производителей, стремящихся получить более мелкие частицы, более узкое распределение по размерам, более чистую обработку и эффективное масштабирование, зондовые ультразвуковые аппараты Hielscher превращают мокрый помол в процесс с точно заданными параметрами – от лабораторных испытаний до непрерывного промышленного производства.

Непрерывная работа для высокой производительности

Ультразвуковые гомогенизаторы очень просты в установке и эксплуатации. С измельчаемым материалом контактируют только две детали: титановый сонотрод и проточная ячейка из нержавеющей стали. Благодаря простой конструкции ультразвуковой проточной ячейки установки можно быстро очищать. Поскольку ультразвуковые устройства Hielscher обладают очень высоким КПД преобразования электрической энергии в механическую, для ультразвукового помола обычно требуется меньшая мощность, чем для обычного размольного оборудования.

Промышленный ультразвуковой аппарат UIP6000hdT (6kW) для одновременного диспергирования пигментов и микробной стерилизации рецептур красок и покрытий на водной основе Эффект измельчения частиц основан на интенсивной ультразвуковой кавитации. При высокоинтенсивной обработке жидкостей ультразвуком звуковые волны, распространяющиеся в жидкой среде, вызывают чередующиеся циклы высокого давления (сжатия) и низкого давления (разрежения), скорость чередования которых зависит от частоты. Во время цикла низкого давления высокоинтенсивные ультразвуковые волны создают в жидкости небольшие вакуумные пузырьки или полости. Когда пузырьки достигают объёма, при котором они больше не могут поглощать энергию, они резко схлопываются во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитацией.
Схлопывание кавитационных пузырьков приводит к возникновению микротурбулентности и микроструй со скоростью до 1000km/hr. Крупные частицы подвергаются поверхностной эрозии (вследствие кавитационного схлопывания в окружающей жидкости) или уменьшению размера (вследствие раскалывания при межчастичных столкновениях или схлопывания кавитационных пузырьков, образовавшихся на поверхности). Это приводит к резкому ускорению диффузии, процессов массопереноса и реакций в твёрдой фазе вследствие изменения размера и структуры кристаллитов.

Ультразвуковые процессоры и проточные ячейки для диспергирования и мокрого помола порошков доступны для лабораторного и производственного масштаба. Промышленные системы можно легко дооснастить для работы в потоке. Для исследования и испытания этого процесса, а также для многих сонохимических процессов мы рекомендуем наши лабораторные устройства или UIP1000hd.

Наноалмазы можно эффективно и надёжно диспергировать с помощью ультразвуковых аппаратов Hielscher.

Литература / Источники

• 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.