Ultrazvočno mokro mletje: fini delci, natančno načrtovani

Sonikatorji Hielscher so učinkovita oprema za mletje, ki omogoča zelo učinkovito zmanjševanje velikosti delcev, nanodispergiranje in emulgiranje z nadzorovano ultrazvočno kavitacijo visoke intenzivnosti. Ti sistemi, zasnovani za raziskave in industrijsko uporabo, zanesljivo razgrajujejo aglomerate, fino meljejo praške in ustvarjajo homogene suspenzije na področjih farmacevtskih izdelkov, kozmetike, nanomaterialov in specialnih kemikalij.

Od grobega praška do enakomernih mikrodelcev in nanodelcev

Sonikatorji Hielscher s sondo omogočajo zmogljivo, natančno nadzorovano mokro mletje in fino drobljenje – brez kroglic, krogel ali drugih mlevnih teles. Izdelujte homogene suspenzije z visoko vsebnostjo trdnih snovi in ozko porazdelitvijo velikosti delcev ter hkrati skrajšajte čas obdelave in zmanjšajte potrebe po energiji.
Z natančnim nadzorom amplitude in naprednim širjenjem akustičnih valov sonikatorji dosegajo enakomerne rezultate z minimalnim toplotnim vplivom, pri čemer ohranjajo občutljive spojine ter kar najbolj povečujejo zmogljivost obdelave in ponovljivost. Odkrijte, kako lahko ultrazvočno mletje poenostavi vaš potek priprave formulacij in izboljša lastnosti izdelkov.

Komu je namenjeno ultrazvočno mokro mletje?

• Proizvajalcem, ki potrebujejo nadzorovano zmanjševanje delcev na mikrometrsko ali nanometrsko velikost
• Proizvajalcem pigmentov, črnil, barv in visoko zmogljivih premazov
• Predelovalcem keramike, mineralov, cementa in kovinskih oksidov
• Razvijalcem farmacevtskih in kozmetičnih formulacij, ki razvijajo fine suspenzije
• Proizvajalcem baterij, katalizatorjev in naprednih materialov
• Podjetjem, ki obdelujejo zelo koncentrirane ali viskozne suspenzije
• Laboratorijem, ki razvijajo postopke zmanjševanja velikosti delcev, prenosljive v večje merilo
• Proizvajalcem, ki želijo ozko, enakomerno porazdelitev velikosti delcev
• Obratom, ki se želijo izogniti kontaminaciji zaradi mlevnih kroglic ali krogel
• Proizvajalcem, ki želijo skrajšati čas mletja, zmanjšati porabo energije in potrebe po čiščenju

Nadzorovano zmanjševanje velikosti delcev z močnim ultrazvokom

Zmanjšanje delcev na mikrometrsko ali nanometrsko velikost lahko preoblikuje formulacijo. Finejši delci lahko izboljšajo reaktivnost, stabilnost, površino, optične lastnosti in lastnosti končnega izdelka. Vendar lahko običajni krogelni mlini, mlini s kroglicami in mlini z drugimi mlevnimi telesi vnašajo obrabne delce, zahtevajo zamudno ločevanje mlevnih teles in težko zagotavljajo enakomerno obdelavo pri visokih koncentracijah trdnih snovi. Ultrazvočno mokro mletje ponuja čisto, nadzorovano alternativo.
Sonikatorji Hielscher s sondo prenašajo ultrazvok visoke intenzivnosti neposredno v tekočino ali suspenzijo. Izmenični tlačni valovi ustvarjajo akustično kavitacijo: mikroskopski mehurčki nastajajo in se sesedajo z izjemno intenzivnostjo, pri čemer nastajajo hitri tekočinski curki, udarni valovi in močne strižne sile. Te sile pospešujejo suspendirane delce, tako da trkajo drug ob drugega. Nastali trki med delci, fragmentacija in površinska erozija zmanjšujejo aglomerate – pri dovolj intenzivnih pogojih pa tudi primarne delce – na mikrometrsko in nanometrsko velikost.
 

Ultrazvočno mleti aluminijev oksid trihidrat
AL(OH)3 je dobavilo podjetje Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, ZDA. AL(OH)3 je znan tudi kot aluminijev trihidroksid serije ATH, Bayerjev hidratizirani aluminijev oksid, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hidragilit ali gibsit. Njegova trdota po Mohsovi lestvici je od 2,5 do 3,5.

Natančna, ponovljiva in enakomerna porazdelitev velikosti delcev

Ultrazvočno mletje omogoča obsežno prilagajanje. Upravljavci lahko nadzorujejo amplitudo, vnos energije, tlak, temperaturo, zadrževalni čas in pretok ter jih prilagodijo materialu in ciljni velikosti delcev. Zato je postopek primeren za vse od blage deaglomeracije do intenzivnega finega mletja. Recirkulacija in konfiguracije s pretočno celico v procesni liniji enakomerno izpostavljajo suspenzijo kavitacijskemu območju, kar omogoča ponovljive rezultate ter ozko, homogeno porazdelitev velikosti delcev.
Takšna stopnja nadzora je dragocena za pigmente, črnila, premaze, keramiko, kovinske okside, minerale, katalizatorje, farmacevtske izdelke in druge napredne materiale, pri katerih lahko preveliki delci ali široka porazdelitev poslabšajo kakovost. Procesne parametre, določene v laboratoriju, je mogoče prenesti v pilotno in industrijsko proizvodnjo, kar omogoča sistematičen razvoj in povečanje merila.

Obdelava pri visoki vsebnosti trdnih snovi brez mlevnih teles

Ker zmanjševanje delcev povzročajo kavitacija in trki med samimi delci, niso potrebne kroglice, biseri ali mlevne krogle. Opustitev mlevnih teles prepreči morebiten vir kontaminacije in odpravi potrebo po njihovem nakupu, čiščenju, zamenjavi ter ločevanju od končne suspenzije. Preprosta geometrija delov v stiku s tekočino olajša tudi čiščenje in prehod na drug izdelek.
Sonikatorji Hielscher lahko obdelujejo zelo koncentrirane in viskozne suspenzije. Visoka vsebnost trdnih snovi pomeni manj tekočine za obdelavo in v številnih primerih manj naknadnega koncentriranja ali sušenja. Z večjo pogostostjo trkov delcev lahko tudi okrepi učinek mletja zaradi medsebojnih trkov delcev. Zaradi te kombinacije je ultrazvočno mletje posebej privlačno za koncentrirane osnovne mešanice in suspenzije v proizvodnem merilu.
 

Mikroskopske slike, ki prikazujejo napredovanje ultrazvočnega mletja pigmentov magenta na oljni osnovi

Primeri: mokro mletje nanodelcev z močnim ultrazvokom

Ultrazvočno mletje je posebej primerno za obdelavo materialov mikrometrske in nanometrske velikosti, kot so keramika, aluminijev oksid trihidrat, barijev sulfat, kalcijev karbonat in kovinski oksidi. Spodnje tabele prikazujejo mikroskopske slike mletja aluminijevega oksida trihidrata (od 150 mikrometrov do 10 mikrometrov), keramike (od 30 mikrometrov do 2 mikrometrov) in natrijevega karbonata (od 70 mikrometrov do 3 mikrometrov). Mikroskopske slike na tej strani prikazujejo napredovanje ultrazvočnega mletja na primerih dentalne keramike, pigmentov magenta, natrijevega karbonata in hidratiziranega aluminijevega oksida.
 

Mikroskopske slike, ki prikazujejo napredovanje ultrazvočnega mletja natrijevega karbonata (Na2CO3) v izopropanolu.

Večji obseg proizvodnje v vsakem koraku obdelave

Ultrazvočna energija se dovaja neposredno v suspenzijo, kjer poteka zmanjševanje velikosti delcev. Hitro delujoče kavitacijske sile lahko skrajšajo cikle mletja, učinkovita pretvorba električne energije v mehansko gibanje pa lahko zmanjša potrebe po energiji v primerjavi z običajno opremo za mletje. Neprekinjena obdelava v procesni liniji dodatno omogoča visoko zmogljivost obdelave, enakomerno kakovost in vključitev v obstoječe proizvodne linije.
Proizvajalcem, ki želijo manjše delce, ožje porazdelitve, čistejšo obdelavo in učinkovito povečanje merila, sonikatorji Hielscher s sondo omogočajo pretvorbo mokrega mletja v natančno načrtovan postopek – od laboratorijskih preizkusov do neprekinjene industrijske proizvodnje.

Neprekinjeno delovanje za visoko zmogljivost obdelave

Ultrazvočne homogenizatorje je zelo preprosto namestiti in upravljati. Z materialom, ki ga meljemo, sta v stiku samo dva dela: titanova sonotroda in pretočna celica iz nerjavnega jekla. Zaradi preproste zasnove ultrazvočne pretočne celice je mogoče naprave hitro očistiti. Ker ultrazvočne naprave Hielscher zelo učinkovito pretvarjajo električno energijo v mehansko, je za ultrazvočno mletje na splošno potrebna manjša moč kot za običajno opremo za mletje.

Industrijski sonikator UIP6000hdT (6kW) za sočasno dispergiranje pigmentov in mikrobno sterilizacijo formulacij barv in premazov na vodni osnovi Učinek mletja delcev temelji na intenzivni ultrazvočni kavitaciji. Pri sonikaciji tekočin z visoko intenzivnostjo zvočni valovi, ki se širijo v tekoči medij, povzročajo izmenične cikle visokega tlaka (stiskanje) in nizkega tlaka (redčenje), katerih hitrost ponavljanja je odvisna od frekvence. Med ciklom nizkega tlaka ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti v tekočini ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke ali praznine. Ko mehurčki dosežejo prostornino, pri kateri ne morejo več absorbirati energije, se med ciklom visokega tlaka silovito sesedejo. Ta pojav imenujemo kavitacija.
Implozija kavitacijskih mehurčkov povzroči mikroturbulence in mikrocurke s hitrostjo do 1000km/hr. Veliki delci so podvrženi površinski eroziji (zaradi sesedanja kavitacijskih mehurčkov v okoliški tekočini) ali zmanjševanju velikosti (zaradi razcepa ob trkih med delci ali sesedanja kavitacijskih mehurčkov, nastalih na površini). To zaradi spreminjanja velikosti in strukture kristalitov povzroči izrazito pospešitev difuzije, procesov prenosa snovi in reakcij v trdni fazi.

Ultrazvočni procesorji in pretočne celice za dispergiranje in mokro mletje praškov so na voljo za laboratorijsko in proizvodno merilo. Industrijske sisteme je mogoče preprosto naknadno prilagoditi za delovanje v procesni liniji. Za raziskovanje in preizkušanje tega postopka ter za številne sonokemijske postopke priporočamo naše laboratorijske naprave ali UIP1000hd.

Nanodiamante je mogoče učinkovito in zanesljivo dispergirati z ultrazvočnimi napravami Hielscher.

Literatura / Viri

• 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.