Ultraljudsvåtmalning: Fina partiklar, exakt konstruerade
Hielschers ultraljudsapparater är effektiva malningsanläggningar för högpresterande partikelstorleksreduktion, nanodispersion och emulgering genom kontrollerad ultraljudskavitation med hög intensitet. Dessa system är konstruerade för både forskning och industriell skala och bryter på ett tillförlitligt sätt ned agglomerat, förfinar pulver och skapar homogena suspensioner inom läkemedel, kosmetika, nanomaterial och specialkemikalier.
Från grovt pulver till enhetliga mikro- och nanopartiklar
Hielschers ultraljudsapparater av sondtyp erbjuder kraftfull och exakt reglerbar våtmalning och finmalning – utan kulor, bollar eller andra malningsmedel. Framställ homogena slurrier med hög fastämneshalt och snäv partikelstorleksfördelning, samtidigt som bearbetningstiden förkortas och energibehovet minskas.
Genom att utnyttja exakt amplitudreglering och avancerad akustisk vågutbredning uppnår ultraljudsapparaterna enhetliga resultat med minimal värmepåverkan, vilket bevarar känsliga föreningar samtidigt som genomströmningen och reproducerbarheten maximeras. Upptäck hur ultraljudsmalning kan effektivisera ditt formuleringsarbete och förbättra produktens prestanda.
Vem bör använda ultraljudsvåtmalning?
- Tillverkare som behöver en kontrollerad partikelreduktion till mikron- eller nanometerstorlek
- Tillverkare av pigment, tryckfärger, färger och högpresterande beläggningar
- Processorer för keramik, mineraler, cement och metalloxider
- Formulerare inom läkemedels- och kosmetikabranschen som utvecklar fina suspensioner
- Tillverkare av batterier, katalysatorer och avancerade material
- Företag som bearbetar högkoncentrerade eller viskösa uppslamningar
- Laboratorier som utvecklar skalbara processer för partikelstorleksreduktion
- Tillverkare som eftersträvar en smal, enhetlig partikelstorleksfördelning
- Verksamheter som vill undvika föroreningar från slipkulor eller -pärlor
- Tillverkare som vill minska malningstiden, energiförbrukningen och rengöringsbehovet
Berätta för oss om ert material, fastämneshalten och önskad partikelstorlek. Vårt expertteam inom ultraljudsbehandling kommer att rekommendera en ultraljudslösning som ger bättre partikelförfining.
Industriell ultraljudsenhet på 16 000 watt, modell UIP16000hdT för våtmalning av pigment och nanopartiklar
Kontrollerad partikelstorleksreduktion med kraftfullt ultraljud
Att minska partikelstorleken till mikron- eller nanometerområdet kan förändra en formulering avsevärt. Finare partiklar kan förbättra reaktiviteten, stabiliteten, ytarean, de optiska egenskaperna och slutproduktens prestanda. Konventionella kul-, pärl- och mediekvarnar kan dock leda till att slitpartiklar tillförs, kräver en mödosam separering av kvarnmediet och har svårt att åstadkomma en jämn bearbetning vid höga fastämneskoncentrationer. Ultraljudsvåtmalning erbjuder ett rent och kontrollerbart alternativ.
Hielschers ultraljudsapparater av sondtyp överför högintensivt ultraljud direkt in i en vätska eller en uppslamning. De växlande tryckvågorna skapar akustisk kavitation: mikroskopiska bubblor bildas och kollapsar med extrem intensitet, vilket genererar höghastighetsstrålar av vätska, chockvågor och kraftfulla skjuvkrafter. Dessa krafter får partiklarna i suspensionen att kollidera med varandra. De resulterande kollisionerna mellan partiklarna, fragmenteringen och yterosion minskar agglomeratbildningen – och, under tillräckligt extrema förhållanden, primärpartiklar – till mikro- och nanostorlek.
Ultraljudsmalet aluminiumoxidtrihydrat
AL(OH)₃ levererades av Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, USA. AL(OH)₃ är även känt under namnen aluminiumtrihydroxid ATH-serien, Bayer Hydrated Alumina, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, hydragyllit eller gibbsit. Det har en hårdhet enligt Mohs’ hårdhet på 2,5 till 3,5.
Ultraljudsgenomströmningsreaktorer för industriell inline-produktion av nanopartikelslam.
Exakt, repeterbar och jämn partikelstorleksfördelning
Ultraljudsmalning är mycket flexibelt anpassningsbar. Operatörerna kan reglera amplitud, energitillförsel, tryck, temperatur, uppehållstid och flödeshastighet för att anpassa processen efter materialet och den önskade partikelstorleken. Detta gör processen lämplig för allt från skonsam upplösning av agglomerat till intensiv finmalning. Konfigurationer med återcirkulation och inline-flödesceller utsätter slammet jämnt för kavitationszonen, vilket bidrar till reproducerbara resultat och en snäv, homogen partikelstorleksfördelning.
Denna nivå av kontroll är värdefull för pigment, tryckfärger, beläggningar, keramik, metalloxider, mineraler, katalysatorer, läkemedel och andra avancerade material där partiklar som är för stora eller en bred partikelstorleksfördelning kan äventyra kvaliteten. Processparametrar som fastställts i laboratoriet kan överföras till pilot- och industriell produktion, vilket möjliggör systematisk utveckling och uppskalning.
Bearbetning med hög fastämneshalt utan slipmedel
Eftersom partikelreduceringen sker genom kavitation och kollisioner mellan partiklarna själva krävs inga kulor, pärlor eller malningskulor. Genom att undvika användning av malningsmedel elimineras en potentiell föroreningskälla och behovet av att köpa in, rengöra, byta ut och separera malningsmedlet från den färdiga uppslamningen försvinner. Den enkla geometrin i den vätskeberörda delen underlättar dessutom rengöring och produktbyte.
Hielschers ultraljudsapparater kan bearbeta högkoncentrerade och viskösa uppslamningar. En hög fastämneshalt innebär mindre vätska att hantera och, i många fall, mindre koncentrering eller torkning i efterföljande steg. Det kan också förstärka malningseffekten mellan partiklarna genom att öka frekvensen av partikelkollisioner. Denna kombination gör ultraljudsmalning särskilt attraktiv för koncentrerade masterbatcher och suspensioner i produktionsskala.
Mikroskopbilder som visar förloppet vid ultraljudsmalning av oljebaserade magentapigment
Exempel: Våtmalning av nanopartiklar med kraftfullt ultraljud
Ultraljudsmalning är särskilt lämplig för bearbetning av material i mikron- och nanostorlek, såsom keramik, aluminiumoxidtrihydrat, bariumsulfat, kalciumkarbonat och metalloxider. Tabellerna nedan visar mikroskopbilder av malningen av aluminiumoxidtrihydrat (från 150 mikron ner till 10 mikron), keramik (från 30 mikron ner till 2 mikron) och natriumkarbonat (från 70 mikron ner till 3 mikron). Mikroskopbilderna på denna sida visar hur ultraljudsmalningen fortskrider med hjälp av exemplen dentalkeramik, magentapigment, natriumkarbonat och hydratiserad aluminiumoxid.
Mikroskopbilder som visar förloppet vid ultraljudsmalning av natriumkarbonat (Na₂CO₃) i isopropanol.
Ultraljudsbehandlad kritfärg på grindometern visar den perfekt enhetliga deagglomerationen och partikelstorleksfördelningen av pigmenten
Ultraljudsdispersion säkerställer en effektiv minskning av partikelstorleken och jämn fördelning av kimrökspigment i UV-bläck.
Högre avkastning i varje bearbetningssteg
Ultraljudsenergin tillförs direkt till uppslamningen, där partikelstorleken reduceras. Snabba kavitationskrafter kan förkorta malningscyklerna, medan den effektiva omvandlingen av elektrisk energi till mekanisk rörelse kan minska energibehovet jämfört med konventionell malningsutrustning. Kontinuerlig inline-bearbetning bidrar dessutom till hög genomströmning, jämn kvalitet och integration i befintliga produktionslinjer.
För tillverkare som eftersträvar mindre partiklar, snävare partikelfördelningar, renare bearbetning och effektiv uppskalning gör Hielschers sondbaserade ultraljudsapparater våtmalningen till en precisionsutformad process – från laboratorieförsök till kontinuerlig industriell produktion.
Kontinuerlig drift för hög genomströmning
Ultraljudshomogenisatorer är mycket enkla att installera och använda. Det finns endast två delar som kommer i kontakt med materialet som ska mals: sonotroden av titan och flödescellen av rostfritt stål. Tack vare den enkla konstruktionen hos ultraljudsflödescellen kan enheterna rengöras snabbt. Eftersom Hielschers ultraljudsenheter har en mycket hög verkningsgrad vid omvandlingen av elektrisk till mekanisk energi krävs i allmänhet mindre effekt för ultraljudsmalning än för konventionell malningsutrustning.
Industriell ultraljudsenhet UIP6000hdT (6 kW) för samtidig pigmentdispersion och mikrobiell sterilisering av vattenbaserade färg- och beläggningsformuleringar [/bildtext]Partikelförfiningseffekten bygger på intensiv ultraljudskavitation. När vätskor sonikeras med hög intensitet leder ljudvågorna som fortplantar sig i vätskan till alternerande cykler av högt tryck (kompression) och lågt tryck (tilltagande sällsynthet), med frekvenser som beror på frekvensen. Under lågtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor eller hålrum i vätskan. När bubblorna når en volym där de inte längre kan absorbera energi kollapsar de våldsamt under en högtryckscykel. Detta fenomen kallas kavitation.
Implosionen av kavitationsbubblorna resulterar i mikroturbulens och mikrostrålar på upp till 1000 km/h. Stora partiklar utsätts för yterosion (via kavitationskollaps i den omgivande vätskan) eller partikelstorleksreduktion (på grund av fission genom kollision mellan partiklar eller kollaps av kavitationsbubblor som bildas på ytan). Detta leder till kraftig acceleration av diffusion, massöverföringsprocesser och fastfasreaktioner på grund av att kristallitens storlek och struktur förändras.
Ultraljudsprocessorer och flödesceller för dispergering och våtmalning av pulver finns tillgängliga för både laboratorie- och produktionsnivå. De industriella systemen kan enkelt anpassas för att fungera i produktionslinjen. För forskning och testning av denna process, liksom för många andra sonokemiska processer, rekommenderar vi våra laboratorieenheter eller UIP1000hd.
Nanodiamanter kan vara effektiva och tillförlitligt dispergeras med hjälp av Hielscher ultraljudsapparater.
Vanliga frågor om ultraljudsvåtmalning
Vad är ultraljudsvåtmalning?
Ultraljudsvåtmalning är en process för partikelstorleksreduktion där högfrekvent ultraljud tillförs en flytande uppslamning. Akustisk kavitation alstrar intensiva skjuvkrafter, chockvågor och kollisioner mellan partiklarna, vilket bryter upp agglomerat och reducerar de fasta partiklarna till mikron- eller nanometerstorlek.
Hur minskar en ultraljudsapparat av sondtyp partikelstorleken?
Ultraljudssonden, eller sonotroden, överför högintensivt ultraljud direkt till uppslamningen. Kavitationsbubblor bildas och kollapsar, vilket skapar vätskestrålar med hög hastighet som får partiklarna att kollidera med varandra. Dessa kollisioner leder till partikelfragmentering, yterosion och effektiv deagglomerering.
Kan nanopartiklar framställas genom ultraljudsvåtmalning?
Ja. Hielschers sondbaserade ultraljudsapparater kan användas för kontrollerad mikronisering och nanostorleksanpassning. Den partikelstorlek som kan uppnås beror på materialet, den ursprungliga partikelstorleken, slurryns sammansättning, fastämneskoncentrationen, bearbetningsintensiteten, temperaturen, trycket och ultraljudsbehandlingstiden.
Vilka material kan bearbetas med ultraljudsfräsning?
Ultraljudsvåtmalning är lämplig för pigment, tryckfärger, keramik, metalloxider, mineraler, cement, katalysatorer, batterimaterial, läkemedel, kosmetika och avancerade nanomaterial. Den kan bearbeta partiklar som är suspenderade i vatten, lösningsmedel, oljor, hartser och andra kompatibla flytande medier.
Kräver ultraljudsmalning att man använder slipkulor eller slipbollar?
Nej. Partikelstorleksreduktion med ultraljud kräver inga konventionella malningsmedel. Partikelkollisioner som orsakas av kavitation ger den malande effekten. Genom att man slipper använda kulor och pärlor minskar risken för föroreningar orsakade av malningsmedel, och behovet av att separera, rengöra, byta ut och avyttra malningsmedlen försvinner.
Kan Hielschers ultraljudsapparater bearbeta slurrier med hög fastämneshalt?
Ja. Hielschers ultraljudsprocessorer klarar av högkoncentrerade och viskösa suspensioner. En hög fastämneshalt minskar den vätskemängd som måste bearbetas och kan intensifiera kollisionerna mellan partiklarna, vilket gör ultraljudsmalning till ett attraktivt alternativ för koncentrerade uppslamningar och tillverkning av masterbatch.
Ger ultraljudsmalning en smal partikelstorleksfördelning?
En jämn exponering för ultraljudskavitationszonen bidrar till en snäv och homogen partikelstorleksfördelning. Återcirkulation och kontinuerlig inline-bearbetning bidrar till att säkerställa en enhetlig behandling av hela uppslamningen, samtidigt som antalet partiklar som är för stora eller otillräckligt bearbetade minskas.
Vilka parametrar för ultraljudsfräsning kan regleras?
Viktiga parametrar är bland annat ultraljudsamplitud, energitillförsel, tryck, temperatur, flödeshastighet, uppehållstid och fastämneskoncentration. Tack vare den exakta regleringen kan processen anpassas för skonsam deagglomerering, intensiv finmalning eller reproducerbar nanodispersion.
Är våtmalning med ultraljud energieffektiv?
Ultraljudsenergin överförs direkt till uppslamningen, där partiklarna finfördelas. De snabba kavitationskrafterna kan förkorta bearbetningscyklerna och minska energibehovet jämfört med vissa konventionella malningsmetoder. Den faktiska energiförbrukningen beror på materialet, önskad partikelstorlek, genomströmning och processkonfiguration.
Kan ultraljudsfräsning köras kontinuerligt?
Ja. Hielschers ultraljudsenheter kan integreras med flödescellsreaktorer för kontinuerlig våtmalning i produktionslinjen. Bearbetning i produktionslinjen möjliggör kontrollerad uppehållstid, jämn produktkvalitet, hög genomströmning och enkel integration i befintliga industriella produktionslinjer.
Kan en ultraljudsfräsningsprocess skalas upp?
Ultraljudsmalning kan utvecklas med hjälp av en laboratoriesonikator och överföras till pilot- eller industriutrustning med hjälp av definierade processparametrar och en specifik energitillförsel. Hielscher erbjuder sondbaserade sonikatorer för småskaliga tester, processutveckling och kontinuerlig kommersiell produktion.
Hur väljer jag rätt ultraljudsapparat från Hielscher?
Valet av sonikator beror på materialet, slurryvolymen, fastämneshalten, viskositeten, partiklarnas utgångsstorlek, önskad slutstorlek och önskad genomströmning. Ett malningsförsök kan hjälpa till att fastställa optimal amplitud, energibehov, sondgeometri samt om det ska användas i satsvis eller kontinuerlig drift.
Läs mer om Hielschers processlaboratorium för dina genomförbarhetstester och processoptimering.
Litteratur / Referenser
- 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.
- 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.
UIP1000hd
Mikroskopbilder som visar hur ultraljudsfräsningen av tandkeramik fortskrider