Ultrazvukové mokré mletie: jemné častice, presne navrhnuté

Ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher sú vysoko účinné mlecie zariadenia určené na vysoko efektívne zmenšovanie veľkosti častíc, nanodisperziu a emulgáciu prostredníctvom riadenej ultrazvukovej kavitácie s vysokou intenzitou. Tieto systémy, navrhnuté pre výskumné aj priemyselné použitie, spoľahlivo rozbíjajú aglomeráty, zjemňujú prášky a vytvárajú homogénne suspenzie v oblasti farmaceutických výrobkov, kozmetiky, nanomateriálov a špeciálnych chemikálií.

Od hrubého prášku po rovnomerné mikro- a nanočastice

Ultrazvukové zariadenia typu sondy spoločnosti Hielscher zabezpečujú výkonné a presne regulovateľné mokré mletie a jemné drvenie – bez guličiek, guľôčok alebo iných mlecích telies. Vytvárajte homogénne suspenzie s vysokým obsahom tuhej fázy a úzkym rozložením veľkostí častíc, pričom skrátite dobu spracovania a znížite spotrebu energie.
Vďaka presnému riadeniu amplitúdy a pokročilému šíreniu akustických vĺn dosahujú ultrazvukové zariadenia rovnomerné výsledky s minimálnym tepelným vplyvom, čím chránia citlivé zložky a zároveň maximalizujú priepustnosť a reprodukovateľnosť. Zistite, ako môže ultrazvukové mletie zefektívniť váš pracovný postup pri príprave receptúr a zvýšiť výkonnosť výrobkov.

Kto by mal využívať ultrazvukové mokré mletie?

• Výrobcovia, ktorí potrebujú riadené zmenšovanie častíc na veľkosť v mikrónoch alebo nanometroch
• Výrobcovia pigmentov, atramentov, farieb a vysoko výkonných náterových hmôt
• Zariadenia na spracovanie keramiky, minerálov, cementu a oxidov kovov
• Vývojári farmaceutických a kozmetických prípravkov, ktorí vyvíjajú jemné suspenzie
• Výrobcovia batérií, katalyzátorov a pokrokových materiálov
• Spoločnosti spracúvajúce vysoko koncentrované alebo viskózne kalové zmesi
• Laboratóriá, ktoré vyvíjajú škálovateľné procesy na zmenšovanie veľkosti častíc
• Výrobcovia, ktorí hľadajú úzke a rovnomerné rozdelenie veľkosti častíc
• Prevádzky, ktoré sa chcú vyhnúť kontaminácii frézovacími guličkami alebo guľami
• Výrobcovia, ktorých cieľom je skrátiť dobu mletia, znížiť spotrebu energie a obmedziť nároky na čistenie

Riadené zmenšovanie veľkosti častíc pomocou výkonného ultrazvuku

Zmenšenie veľkosti častíc na mikrónovú alebo nanometrovú úroveň môže zásadným spôsobom zmeniť zloženie prípravku. Jemnejšie častice môžu zlepšiť reaktivitu, stabilitu, povrchovú plochu, optické vlastnosti a výkonnosť konečného produktu. Bežné guľové, perličkové a mediálne mlyny však môžu do produktu vnášať častice vznikajúce opotrebením, vyžadujú náročné oddeľovanie mlecích telies a majú problémy zabezpečiť konzistentné spracovanie pri vysokých koncentráciách tuhých látok. Ultrazvukové mokré mletie ponúka čistú a kontrolovateľnú alternatívu.
Ultrazvukové zariadenia typu sondy od spoločnosti Hielscher prenášajú vysokointenzívny ultrazvuk priamo do kvapaliny alebo suspenzie. Striedavé tlakové vlny vyvolávajú akustickú kavitáciu: mikroskopické bublinky sa vytvárajú a kolabujú s extrémnou intenzitou, čím vznikajú vysokorýchlostné prúdy kvapaliny, rázové vlny a silné šmykové sily. Tieto sily urýchľujú zrážky suspendovaných častíc medzi sebou. Výsledné zrážky medzi časticami, fragmentácia a erózia povrchu znižujú tvorbu aglomerátov – a za dostatočne extrémnych podmienok primárne častice – až po mikro- a nano-rozmery.
 

Trihydrát oxidu hlinitého mletý ultrazvukom
AL(OH)₃ dodala spoločnosť Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, USA. AL(OH)₃ je tiež známy ako hlinitý trihydroxid série ATH, hydratovaný oxid hlinitý Bayer, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hydragylit alebo gibbsit. Má tvrdosť podľa Mohsa’ tvrdosť od 2,5 do 3,5.

Presné, opakovateľné a rovnomerné rozdelenie veľkosti častíc

Ultrazvukové mletie je vysoko nastaviteľné. Obsluha môže regulovať amplitúdu, prísun energie, tlak, teplotu, dobu zdržania a prietok tak, aby zodpovedali danému materiálu a požadovanej veľkosti častíc. Vďaka tomu je tento proces vhodný na všetko od šetrnej deaglomerácie až po intenzívne jemné mletie. Konfigurácie s recirkuláciou a s prietokovou komorou v línii vystavujú suspenziu rovnomerne kavitačnej zóne, čo prispieva k reprodukovateľným výsledkom a úzkemu, homogénnemu rozdeleniu veľkosti častíc.
Táto úroveň kontroly je dôležitá pri pigmentoch, farbách, náteroch, keramike, oxidy kovov, mineráloch, katalyzátoroch, farmaceutických výrobkoch a iných pokrokových materiáloch, kde môžu nadmerne veľké častice alebo široké rozloženie veľkostí častíc negatívne ovplyvniť kvalitu. Parametre procesu stanovené v laboratóriu je možné preniesť do pilotnej a priemyselnej výroby, čo umožňuje systematický vývoj a zväčšovanie výrobného rozsahu.

Spracovanie s vysokým obsahom tuhej látky bez použitia mlecích teliesok

Keďže zmenšovanie častíc prebieha na základe kavitácie a zrážok medzi samotnými časticami, nie sú potrebné žiadne guličky, perličky ani mlecie gule. Vylúčením mlecích telies sa zabráni potenciálnemu zdroju kontaminácie a odstraňuje sa potreba nákupu, čistenia, výmeny a oddeľovania tiel od hotovej suspenzie. Jednoduchá geometria namáhaná v kvapaline tiež uľahčuje čistenie a prechod na iný produkt.
Ultrazvukové mlynce spoločnosti Hielscher dokážu spracovávať vysoko koncentrované a viskózne suspenzie. Vysoký obsah tuhých látok znamená menej tekutiny na spracovanie a v mnohých prípadoch aj menšiu potrebu následnej koncentrácie alebo sušenia. Môže tiež posilniť efekt mletia medzi časticami zvýšením frekvencie zrážok častíc. Táto kombinácia robí ultrazvukové mletie obzvlášť atraktívnym pre koncentrované masterbatche a suspenzie vo výrobnom meradle.
 

Mikroskopické snímky znázorňujúce priebeh ultrazvukového mletia magentových pigmentov na olejovej báze

Príklady: Mokré mletie nanočastíc pomocou výkonného ultrazvuku

Ultrazvukové mletie je obzvlášť vhodné na spracovanie materiálov v mikrónovej a nanoškále, ako sú keramika, trihydrát oxidu hlinitého, síran bárnatý, uhličitan vápenatý a oxidy kovov. V nižšie uvedených tabuľkách sú zobrazené mikroskopické snímky mletia trihydrátu oxidu hlinitého (z 150 mikrónov na 10 mikrónov), keramiky (z 30 mikrónov na 2 mikróny) a uhličitanu sodného (z 70 mikrónov na 3 mikróny). Mikroskopické snímky na tejto stránke vám ukazujú priebeh ultrazvukového mletia na príkladoch zubnej keramiky, magentových pigmentov, uhličitanu sodného a hydratovaného oxidu hlinitého.
 

Mikroskopické snímky znázorňujúce priebeh ultrazvukového mletia uhličitanu sodného (Na₂CO₃) v izopropanole.

Vyšší výstup v každom kroku spracovania

Ultrazvuková energia sa privádza priamo do suspenzie, kde dochádza k zmenšovaniu veľkosti častíc. Rýchle kavitačné sily môžu skrátiť cykly mletia, zatiaľ čo efektívna premena elektrickej energie na mechanický pohyb môže znížiť spotrebu energie v porovnaní s bežnými mlecími zariadeniami. Nepretržité spracovanie v rámci výrobnej linky ďalej prispieva k vysokej priepustnosti, konzistentnej kvalite a integrácii do existujúcich výrobných liniek.
Pre výrobcov, ktorí hľadajú menšie častice, užšie rozdelenie veľkostí, čistejšie spracovanie a efektívne zväčšovanie výroby, sonikátory typu sondy od spoločnosti Hielscher premenia mokré mletie na presne navrhnutý proces – od laboratórnych pokusov až po nepretržitú priemyselnú výrobu.

Nepretržitá prevádzka pre vysokú priepustnosť

Ultrazvukové homogenizátory sa veľmi ľahko inštalujú a obsluhujú. S mletým materiálom prichádzajú do styku iba dve časti: titánová sonotróda a prietoková komora z nehrdzavejúcej ocele. Vďaka jednoduchej konštrukcii ultrazvukovej prietokovej komory sa zariadenia dajú rýchlo vyčistiť. Keďže ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher majú veľmi vysokú účinnosť pri premene elektrickej energie na mechanickú, na ultrazvukové mletie je vo všeobecnosti potrebný nižší príkon než v prípade konvenčných mlecích zariadení.

Priemyselný ultrazvukový prístroj UIP6000hdT (6 kW) na súčasnú disperziu pigmentov a mikrobiálnu sterilizáciu vodou riediteľných farieb a náterových hmôt [/caption]Účinok rozomielania častíc je založený na intenzívnej ultrazvukovej kavitácii. Pri sonikácii kvapalín pri vysokej intenzite zvukové vlny, ktoré sa šíria do kvapalného média, spôsobujú striedanie cyklov vysokého tlaku (kompresia) a nízkeho tlaku (zriedenie), pričom frekvencia týchto cyklov závisí od frekvencie ultrazvuku. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kvapaline malé vákuové bubliny alebo dutiny. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nemôžu ďalej absorbovať energiu, počas vysokotlakového cyklu prudko kolabujú. Tento jav sa nazýva kavitácia.
Implózia kavitačných bublín má za následok mikroturbulencie a mikroprúdy až 1000 km/h. Veľké častice podliehajú povrchovej erózii (kavitačným kolapsom v okolitej kvapaline) alebo zmenšeniu veľkosti častíc (v dôsledku štiepenia zrážkou medzi časticami alebo kolapsu kavitačných bublín vytvorených na povrchu). To vedie k prudkému zrýchleniu difúzie, procesov prenosu hmoty a reakcií na pevnej fáze v dôsledku zmeny veľkosti a štruktúry kryštalitov.

Ultrazvukové procesory a prietokové komory na dispergovanie a mokré mletie práškov sú k dispozícii pre laboratórne aj výrobné použitie. Priemyselné systémy možno ľahko dodatočne vybaviť na prevádzku v rámci výrobnej linky. Na výskum a testovanie tohto procesu, ako aj na mnohé sonochemické procesy odporúčame naše laboratórne zariadenia alebo model UIP1000hd.

Nanodiamanty môžu byť efektívne a spoľahlivo rozptýlené pomocou ultrazvukových prístrojov Hielscher.

Literatúra / Referencie