Ultrazvukové mokré mletie: jemné častice s presne riadenými vlastnosťami

Sonikátory Hielscher sú účinné mlecie zariadenia na vysokoúčinné zmenšovanie veľkosti častíc, nanodispergovanie a emulgáciu pomocou riadenej ultrazvukovej kavitácie s vysokou intenzitou. Tieto systémy, navrhnuté na výskum aj priemyselnú prevádzku, spoľahlivo rozrušujú aglomeráty, zjemňujú prášky a vytvárajú homogénne suspenzie vo farmaceutickom a kozmetickom priemysle, pri výrobe nanomateriálov a špeciálnych chemikálií.

Od hrubého prášku k rovnomerným mikročasticiam a nanočasticiam

Sondové sonikátory Hielscher poskytujú výkonné, presne regulovateľné mokré mletie a jemné drvenie – bez perličiek, guľôčok alebo iných mlecích médií. Vyrábajte homogénne suspenzie s vysokým obsahom tuhých látok a úzkou distribúciou veľkosti častíc, pričom skrátite čas spracovania a znížite energetickú náročnosť.
Vďaka presnému riadeniu amplitúdy a pokročilému šíreniu akustických vĺn dosahujú sonikátory rovnomerné výsledky s minimálnym tepelným vplyvom, čím chránia citlivé zlúčeniny a zároveň maximalizujú spracovateľskú kapacitu a reprodukovateľnosť. Zistite, ako môže ultrazvukové mletie zefektívniť váš pracovný postup pri vývoji formulácií a zlepšiť úžitkové vlastnosti výrobku.

Kto by mal používať ultrazvukové mokré mletie?

• Výrobcovia vyžadujúci riadené zmenšovanie častíc na mikrometrovú alebo nanometrovú veľkosť
• Výrobcovia pigmentov, atramentov, farieb a vysokovýkonných povlakov
• Spracovatelia keramiky, minerálov, cementu a oxidov kovov
• Vývojári farmaceutických a kozmetických formulácií pripravujúci jemné suspenzie
• Výrobcovia batérií, katalyzátorov a pokročilých materiálov
• Spoločnosti spracúvajúce vysoko koncentrované alebo viskózne suspenzie
• Laboratóriá vyvíjajúce procesy zmenšovania veľkosti častíc prenosné do väčšej mierky
• Výrobcovia požadujúci úzku, rovnomernú distribúciu veľkosti častíc
• Prevádzky, ktoré sa chcú vyhnúť kontaminácii z mlecích perličiek alebo guľôčok
• Výrobcovia usilujúci sa o skrátenie času mletia, zníženie spotreby energie a nárokov na čistenie

Riadené zmenšovanie veľkosti častíc pomocou výkonového ultrazvuku

Zmenšenie častíc do mikrometrovej alebo nanometrovej oblasti môže zásadne zmeniť formuláciu. Jemnejšie častice môžu zlepšiť reaktivitu, stabilitu, veľkosť povrchu, optické vlastnosti a úžitkové vlastnosti konečného výrobku. Bežné guľové, perličkové a iné mlyny s mlecími médiami však môžu vnášať častice vznikajúce opotrebovaním, vyžadovať prácne oddeľovanie mlecích médií a mať ťažkosti so zabezpečením rovnomerného spracovania pri vysokých koncentráciách tuhých látok. Ultrazvukové mokré mletie ponúka čistú, regulovateľnú alternatívu.
Sondové sonikátory Hielscher prenášajú ultrazvuk s vysokou intenzitou priamo do kvapaliny alebo suspenzie. Striedavé tlakové vlny vytvárajú akustickú kavitáciu: mikroskopické bubliny vznikajú a kolabujú s extrémnou intenzitou, pričom vytvárajú vysokorýchlostné prúdy kvapaliny, rázové vlny a silné šmykové sily. Tieto sily urýchľujú suspendované častice smerom k vzájomným zrážkam. Výsledné zrážky medzi časticami, fragmentácia a povrchová erózia zmenšujú aglomeráty – a za dostatočne intenzívnych podmienok aj primárne častice – na mikrometrové a nanometrové rozmery.
 

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

Presná, opakovateľná a rovnomerná distribúcia veľkosti častíc

Ultrazvukové mletie umožňuje široké možnosti nastavenia. Obsluha môže regulovať amplitúdu, prívod energie, tlak, teplotu, čas zotrvania a prietok podľa materiálu a cieľovej veľkosti častíc. Vďaka tomu je proces vhodný na všetko od šetrnej deaglomerácie až po intenzívne jemné mletie. Recirkulácia a konfigurácie s prietokovými celami zapojenými priamo do výrobnej linky zabezpečujú rovnomerné vystavenie suspenzie kavitačnej zóne, čím podporujú reprodukovateľné výsledky a úzku, homogénnu distribúciu veľkosti častíc.
Táto úroveň regulácie je cenná pri pigmentoch, atramentoch, náterových hmotách, keramike, oxidoch kovov, mineráloch, katalyzátoroch, liečivách a ďalších pokročilých materiáloch, pri ktorých môžu nadmerne veľké častice alebo široká distribúcia ohroziť kvalitu. Procesné parametre stanovené v laboratóriu možno preniesť do poloprevádzkovej a priemyselnej výroby, čo umožňuje systematický vývoj a zväčšovanie výrobnej mierky.

Spracovanie pri vysokom obsahu tuhých látok bez mlecích médií

Keďže zmenšovanie častíc je poháňané kavitáciou a vzájomnými zrážkami samotných častíc, nie sú potrebné žiadne guľôčky, perličky ani mlecie gule. Odstránením mlecích médií sa predchádza potenciálnemu zdroju kontaminácie a odpadá potreba médiá nakupovať, čistiť, vymieňať a oddeľovať od hotovej suspenzie. Jednoduchá geometria častí prichádzajúcich do styku s kvapalinou tiež uľahčuje čistenie a prechod na iný produkt.
Sonikátory Hielscher dokážu spracovať vysoko koncentrované a viskózne suspenzie. Vysoký obsah tuhých látok znamená menšie množstvo kvapaliny na manipuláciu a v mnohých prípadoch aj menšiu potrebu následného zahusťovania alebo sušenia. Môže tiež zosilniť mlecí účinok vzájomného pôsobenia častíc zvýšením frekvencie ich zrážok. Vďaka tejto kombinácii je ultrazvukové mletie obzvlášť atraktívne pre koncentrované predzmesi a suspenzie vo výrobnom meradle.
 

Mikroskopické snímky zobrazujúce priebeh ultrazvukového mletia purpurových pigmentov na olejovej báze

Príklady: Mokré mletie nanočastíc výkonovým ultrazvukom

Ultrazvukové mletie je obzvlášť vhodné na spracovanie materiálov s časticami mikrometrovej a nanometrovej veľkosti, ako sú keramika, trihydrát oxidu hlinitého, síran bárnatý, uhličitan vápenatý a oxidy kovov. Nasledujúce tabuľky zobrazujú mikroskopické snímky mletia trihydrátu oxidu hlinitého (zo 150 mikrometrov až na 10 mikrometrov), keramiky (z 30 mikrometrov až na 2 mikrometre) a uhličitanu sodného (zo 70 mikrometrov až na 3 mikrometre). Mikroskopické snímky na tejto stránke vám ukazujú priebeh ultrazvukového mletia na príkladoch dentálnej keramiky, purpurových pigmentov, uhličitanu sodného a hydratovaného oxidu hlinitého.
 

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

Vyšší výkon z každého kroku spracovania

Ultrazvuková energia sa privádza priamo do suspenzie, kde dochádza k zmenšovaniu častíc. Rýchlo pôsobiace kavitačné sily môžu skrátiť mlecie cykly, zatiaľ čo účinná premena elektrickej energie na mechanický pohyb môže znížiť energetickú náročnosť v porovnaní s konvenčnými mlecími zariadeniami. Kontinuálne spracovanie priamo vo výrobnej linke ďalej podporuje vysokú kapacitu spracovania, stálu kvalitu a integráciu do existujúcich výrobných liniek.
Výrobcom, ktorí požadujú menšie častice, užšie distribúcie, čistejšie spracovanie a efektívne zväčšovanie výrobnej mierky, umožňujú sondové sonikátory Hielscher premeniť mokré mletie na presne technicky navrhnutý proces – od laboratórnych skúšok až po kontinuálnu priemyselnú výrobu.

Kontinuálna prevádzka pre vysokú kapacitu spracovania

Ultrazvukové homogenizátory sa veľmi ľahko inštalujú a obsluhujú. S materiálom určeným na mletie prichádzajú do kontaktu iba dve časti: titánová sonotróda a prietoková cela z nehrdzavejúcej ocele. Vďaka jednoduchej konštrukcii ultrazvukovej prietokovej cely možno zariadenia rýchlo vyčistiť. Keďže ultrazvukové zariadenia Hielscher majú veľmi vysokú účinnosť premeny elektrickej energie na mechanickú, na ultrazvukové mletie je vo všeobecnosti potrebný menší výkon než pri bežných mlecích zariadeniach.

Priemyselný sonikátor UIP6000hdT (6kW) na súčasné dispergovanie pigmentov a mikrobiálnu sterilizáciu vodou riediteľných farieb a náterových hmôt Účinok mletia častíc je založený na intenzívnej ultrazvukovej kavitácii. Pri sonikácii kvapalín s vysokou intenzitou spôsobujú zvukové vlny šíriace sa kvapalným médiom striedanie vysokotlakových cyklov (stláčanie) a nízkotlakových cyklov (zrieďovanie), pričom rýchlosť ich striedania závisí od frekvencie. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kvapaline malé vákuové bubliny alebo dutiny. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nedokážu absorbovať energiu, počas vysokotlakového cyklu prudko skolabujú. Tento jav sa nazýva kavitácia.
Implózia kavitačných bublín vytvára mikroturbulencie a mikroprúdy s rýchlosťou až 1000km/hr. Veľké častice podliehajú povrchovej erózii (v dôsledku kolapsu kavitačných bublín v okolitej kvapaline) alebo zmenšovaniu veľkosti (v dôsledku štiepenia pri vzájomných zrážkach častíc alebo kolapsu kavitačných bublín vytvorených na ich povrchu). To vedie k prudkému zrýchleniu difúzie, procesov prenosu hmoty a reakcií v tuhej fáze v dôsledku zmien veľkosti a štruktúry kryštalitov.

Ultrazvukové procesory a prietokové cely na dispergovanie a mokré mletie práškov sú dostupné pre laboratórne aj výrobné použitie. Priemyselné systémy možno jednoducho dodatočne upraviť na prevádzku priamo vo výrobnej linke. Na výskum a skúšanie tohto procesu, ako aj na mnohé sonochemické procesy odporúčame naše laboratórne zariadenia alebo UIP1000hd.

Nanodiamanty možno účinne a spoľahlivo dispergovať pomocou ultrazvukových zariadení Hielscher.

Literatúra / Referencie

• 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.