การบดแบบเปียกด้วยอัลตราโซนิก: อนุภาคละเอียดที่ผ่านการออกแบบทางวิศวกรรมอย่างแม่นยำ

เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นอุปกรณ์บดที่มีประสิทธิภาพสำหรับการลดขนาดอนุภาค การกระจายตัวระดับนาโน และการทำอิมัลชันอย่างมีประสิทธิภาพสูง โดยอาศัยคาวิเทชันจากอัลตราโซนิกความเข้มสูงที่ควบคุมได้ ระบบเหล่านี้ได้รับการออกแบบสำหรับทั้งงานวิจัยและระดับอุตสาหกรรม สามารถสลายกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกัน ทำให้ผงละเอียดขึ้น และสร้างสารแขวนลอยที่เป็นเนื้อเดียวกันได้อย่างเชื่อถือได้ สำหรับยา เครื่องสำอาง วัสดุนาโน และสารเคมีเฉพาะทาง

จากผงหยาบสู่อนุภาคระดับไมโครและนาโนที่สม่ำเสมอ

เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบของ Hielscher ให้การบดแบบเปียกและการบดละเอียดที่ทรงพลังและควบคุมได้อย่างแม่นยำ – โดยไม่ต้องใช้เม็ดบด ลูกบด หรือตัวกลางบดชนิดอื่น ผลิตสลาร์รีที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีปริมาณของแข็งสูง พร้อมการกระจายขนาดอนุภาคที่แคบ ขณะเดียวกันก็ลดระยะเวลาการแปรรูปและความต้องการพลังงาน
ด้วยการควบคุมแอมพลิจูดอย่างแม่นยำและการแพร่กระจายคลื่นเสียงขั้นสูง เครื่องอัลตราโซนิกจึงให้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอโดยมีผลกระทบจากความร้อนน้อยที่สุด ช่วยคงสภาพสารประกอบที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลง พร้อมเพิ่มอัตราการผลิตและความสามารถในการทำซ้ำให้สูงสุด เรียนรู้ว่าการบดด้วยอัลตราโซนิกช่วยให้ขั้นตอนการพัฒนาสูตรของคุณคล่องตัวขึ้นและยกระดับสมรรถนะของผลิตภัณฑ์ได้อย่างไร

ใครควรใช้การบดแบบเปียกด้วยอัลตราโซนิก?

• ผู้ผลิตที่ต้องการลดขนาดอนุภาคให้ถึงระดับไมครอนหรือนาโนเมตรอย่างควบคุมได้
• ผู้ผลิตเม็ดสี หมึก สี และสารเคลือบสมรรถนะสูง
• ผู้แปรรูปเซรามิก แร่ ซีเมนต์ และออกไซด์ของโลหะ
• ผู้พัฒนาสูตรยาและเครื่องสำอางที่กำลังพัฒนาสารแขวนลอยอนุภาคละเอียด
• ผู้ผลิตแบตเตอรี่ ตัวเร่งปฏิกิริยา และวัสดุขั้นสูง
• บริษัทที่แปรรูปสลาร์รีซึ่งมีความเข้มข้นสูงมากหรือมีความหนืดสูง
• ห้องปฏิบัติการที่พัฒนากระบวนการลดขนาดอนุภาคที่สามารถขยายขนาดได้
• ผู้ผลิตที่ต้องการการกระจายขนาดอนุภาคที่แคบและสม่ำเสมอ
• หน่วยงานผลิตที่ต้องการหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนจากเม็ดบดหรือลูกบด
• ผู้ผลิตที่มุ่งลดระยะเวลาการบด การใช้พลังงาน และความจำเป็นในการทำความสะอาด

การลดขนาดอนุภาคอย่างควบคุมได้ด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูง

การลดขนาดอนุภาคให้อยู่ในช่วงไมครอนหรือนาโนเมตรสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของสูตรได้ อนุภาคที่ละเอียดขึ้นสามารถปรับปรุงความไวต่อปฏิกิริยา ความเสถียร พื้นที่ผิว สมบัติทางแสง และสมรรถนะของผลิตภัณฑ์สุดท้ายได้ อย่างไรก็ตาม เครื่องบดแบบลูกบด เม็ดบด และตัวกลางบดแบบดั้งเดิมอาจทำให้เกิดอนุภาคจากการสึกหรอ ต้องอาศัยการแยกตัวกลางบดที่ใช้แรงงานมาก และอาจประสบปัญหาในการแปรรูปอย่างสม่ำเสมอเมื่อมีความเข้มข้นของของแข็งสูง การบดแบบเปียกด้วยอัลตราโซนิกเป็นทางเลือกที่สะอาดและควบคุมได้
เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบของ Hielscher ส่งอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงเข้าสู่ของเหลวหรือสลาร์รีโดยตรง คลื่นความดันที่สลับกันทำให้เกิดคาวิเทชันจากคลื่นเสียง โดยฟองขนาดเล็กระดับจุลภาคก่อตัวขึ้นและยุบตัวด้วยความรุนแรงสูงมาก ทำให้เกิดลำเจ็ตของเหลวความเร็วสูง คลื่นกระแทก และแรงเฉือนที่ทรงพลัง แรงเหล่านี้เร่งให้อนุภาคที่แขวนลอยอยู่พุ่งเข้าชนกัน การชนระหว่างอนุภาค การแตกเป็นชิ้น และการกัดกร่อนผิวที่เกิดขึ้นทำให้กลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกัน – และอนุภาคปฐมภูมิภายใต้สภาวะที่มีความเข้มสูงเพียงพอ – มีขนาดลดลงสู่ระดับไมโครและนาโน
 

อะลูมินาไตรไฮเดรตที่บดด้วยอัลตราโซนิก
AL(OH)3 จัดหาโดย Alcoa World Alumina LLC เมืองพิตต์สเบิร์ก รัฐเพนซิลเวเนีย สหรัฐอเมริกา AL(OH)3 ยังเป็นที่รู้จักในชื่อ Aluminum Trihydroxide ATH Series, Bayer Hydrated Alumina, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, Hydragyllite หรือ Gibbsite มีความแข็งตามมาตราโมส์อยู่ที่ 2.5 ถึง 3.5

การกระจายขนาดอนุภาคที่แม่นยำ ทำซ้ำได้ และสม่ำเสมอ

การบดด้วยอัลตราโซนิกสามารถปรับได้อย่างยืดหยุ่นมาก ผู้ปฏิบัติงานสามารถควบคุมแอมพลิจูด พลังงานที่ป้อน ความดัน อุณหภูมิ เวลาพำนัก และอัตราการไหลให้เหมาะกับวัสดุและขนาดอนุภาคเป้าหมายได้ จึงทำให้กระบวนการนี้เหมาะสำหรับงานตั้งแต่การสลายกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกันอย่างอ่อนโยนไปจนถึงการบดละเอียดอย่างเข้มข้น การจัดระบบหมุนเวียนกลับและโฟลว์เซลล์แบบอินไลน์ทำให้สลาร์รีสัมผัสบริเวณคาวิเทชันอย่างสม่ำเสมอ ช่วยให้ได้ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้และการกระจายขนาดอนุภาคที่แคบและเป็นเนื้อเดียวกัน
การควบคุมในระดับนี้มีคุณค่าสำหรับเม็ดสี หมึก สารเคลือบ เซรามิก ออกไซด์ของโลหะ แร่ ตัวเร่งปฏิกิริยา ยา และวัสดุขั้นสูงอื่น ๆ ซึ่งอนุภาคที่มีขนาดใหญ่เกินไปหรือการกระจายขนาดที่กว้างอาจส่งผลเสียต่อคุณภาพ พารามิเตอร์กระบวนการที่กำหนดขึ้นในห้องปฏิบัติการสามารถนำไปใช้ในการผลิตระดับนำร่องและอุตสาหกรรมได้ ช่วยให้พัฒนาและขยายขนาดกระบวนการอย่างเป็นระบบ

การแปรรูปวัสดุที่มีปริมาณของแข็งสูงโดยไม่ใช้ตัวกลางบด

เนื่องจากการลดขนาดอนุภาคอาศัยคาวิเทชันและการชนกันระหว่างอนุภาคเอง จึงไม่จำเป็นต้องใช้เม็ดบด เม็ดบดทรงกลม หรือลูกบด การไม่ใช้ตัวกลางบดช่วยหลีกเลี่ยงแหล่งปนเปื้อนที่อาจเกิดขึ้น และขจัดความจำเป็นในการซื้อ ทำความสะอาด เปลี่ยน และแยกตัวกลางบดออกจากสลาร์รีที่แปรรูปเสร็จแล้ว รูปทรงที่เรียบง่ายของส่วนที่สัมผัสของเหลวยังช่วยให้ทำความสะอาดและเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ที่ผลิตได้สะดวก
เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher สามารถแปรรูปสลาร์รีที่มีความเข้มข้นสูงมากและมีความหนืดสูงได้ ปริมาณของแข็งที่สูงหมายถึงมีของเหลวที่ต้องจัดการน้อยลง และในหลายกรณี ยังลดความจำเป็นในการเพิ่มความเข้มข้นหรือทำแห้งในขั้นตอนปลายทาง อีกทั้งยังสามารถเสริมผลการบดระหว่างอนุภาคได้ด้วยการเพิ่มความถี่ของการชนกันระหว่างอนุภาค คุณสมบัติร่วมกันเหล่านี้ทำให้การบดด้วยอัลตราโซนิกน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับมาสเตอร์แบตช์เข้มข้นและสารแขวนลอยในระดับการผลิต
 

ภาพจากกล้องจุลทรรศน์แสดงความคืบหน้าของการบดเม็ดสีแมเจนตาชนิดน้ำมันด้วยอัลตราโซนิก

ตัวอย่าง: การบดอนุภาคนาโนแบบเปียกด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูง

การบดด้วยอัลตราโซนิกเหมาะเป็นพิเศษสำหรับการแปรรูปวัสดุขนาดไมครอนและนาโน เช่น เซรามิก อะลูมินาไตรไฮเดรต แบเรียมซัลเฟต แคลเซียมคาร์บอเนต และออกไซด์ของโลหะ ตารางด้านล่างแสดงภาพจากกล้องจุลทรรศน์ของการบดอะลูมินาไตรไฮเดรต (จาก 150 ไมครอนลงเหลือ 10 ไมครอน) เซรามิก (จาก 30 ไมครอนลงเหลือ 2 ไมครอน) และโซเดียมคาร์บอเนต (จาก 70 ไมครอนลงเหลือ 3 ไมครอน) ภาพจากกล้องจุลทรรศน์ในหน้านี้แสดงความคืบหน้าของการบดด้วยอัลตราโซนิกผ่านตัวอย่างเซรามิกทางทันตกรรม เม็ดสีแมเจนตา โซเดียมคาร์บอเนต และอะลูมินาไฮเดรต
 

ภาพจากกล้องจุลทรรศน์แสดงความคืบหน้าของการบดโซเดียมคาร์บอเนต (Na2CO3) ในไอโซโพรพานอลด้วยอัลตราโซนิก

เพิ่มผลผลิตจากทุกขั้นตอนการแปรรูป

พลังงานอัลตราโซนิกถูกส่งเข้าสู่สลาร์รีโดยตรง ณ บริเวณที่เกิดการลดขนาดอนุภาค แรงจากคาวิเทชันที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วสามารถลดระยะเวลาของรอบการบดได้ ขณะที่การเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นการเคลื่อนที่เชิงกลอย่างมีประสิทธิภาพสามารถลดความต้องการพลังงานเมื่อเทียบกับอุปกรณ์บดแบบดั้งเดิม การแปรรูปแบบอินไลน์อย่างต่อเนื่องยังช่วยให้มีอัตราการผลิตสูง คุณภาพสม่ำเสมอ และสามารถผสานเข้ากับสายการผลิตที่มีอยู่ได้
สำหรับผู้ผลิตที่ต้องการอนุภาคขนาดเล็กลง การกระจายขนาดที่แคบลง การแปรรูปที่สะอาดขึ้น และการขยายขนาดอย่างมีประสิทธิภาพ เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบของ Hielscher เปลี่ยนการบดแบบเปียกให้เป็นกระบวนการที่ผ่านการออกแบบทางวิศวกรรมอย่างแม่นยำ – ตั้งแต่การทดลองในห้องปฏิบัติการจนถึงการผลิตระดับอุตสาหกรรมอย่างต่อเนื่อง

การทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่ออัตราการผลิตสูง

เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกติดตั้งและใช้งานได้ง่ายมาก มีเพียงสองส่วนที่สัมผัสวัสดุที่ต้องการบด ได้แก่ โซโนโทรดไทเทเนียมและโฟลว์เซลล์สเตนเลส ด้วยการออกแบบโฟลว์เซลล์อัลตราโซนิกที่เรียบง่าย จึงสามารถทำความสะอาดเครื่องได้อย่างรวดเร็ว เนื่องจากอุปกรณ์อัลตราโซนิก Hielscher มีประสิทธิภาพสูงมากในการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล โดยทั่วไปการบดด้วยอัลตราโซนิกจึงต้องการกำลังไฟฟ้าน้อยกว่าอุปกรณ์บดแบบดั้งเดิม

เครื่องอัลตราโซนิกอุตสาหกรรม UIP6000hdT (6kW) สำหรับการกระจายตัวของเม็ดสีและการทำให้สูตรสีและสารเคลือบชนิดน้ำปราศจากเชื้อจุลินทรีย์พร้อมกัน ผลการบดอนุภาคอาศัยคาวิเทชันจากอัลตราโซนิกที่รุนแรง เมื่อใช้คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงกับของเหลว คลื่นเสียงที่แพร่เข้าสู่ตัวกลางของเหลวจะทำให้เกิดวัฏจักรความดันสูง (การอัดตัว) และความดันต่ำ (การขยายตัว) สลับกัน โดยมีอัตราขึ้นอยู่กับความถี่ ในช่วงวัฏจักรความดันต่ำ คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงจะสร้างฟองสุญญากาศขนาดเล็กหรือโพรงในของเหลว เมื่อฟองมีปริมาตรถึงจุดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีก ฟองจะยุบตัวอย่างรุนแรงในช่วงวัฏจักรความดันสูง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าคาวิเทชัน
การยุบตัวเข้าด้านในของฟองคาวิเทชันทำให้เกิดความปั่นป่วนระดับจุลภาคและลำเจ็ตระดับจุลภาคที่มีความเร็วสูงถึง 1000km/hr อนุภาคขนาดใหญ่จะเกิดการกัดกร่อนผิว (ผ่านการยุบตัวของฟองคาวิเทชันในของเหลวโดยรอบ) หรือมีขนาดอนุภาคลดลง (จากการแตกแยกเนื่องจากการชนระหว่างอนุภาค หรือการยุบตัวของฟองคาวิเทชันที่ก่อตัวบนผิว) สิ่งนี้ทำให้การแพร่ กระบวนการถ่ายเทมวล และปฏิกิริยาในเฟสของแข็งเกิดขึ้นเร็วขึ้นอย่างมาก เนื่องจากขนาดและโครงสร้างของผลึกย่อยเปลี่ยนแปลงไป

มีเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกและโฟลว์เซลล์สำหรับการกระจายตัวและการบดผงแบบเปียก ทั้งในระดับห้องปฏิบัติการและระดับการผลิต ระบบอุตสาหกรรมสามารถปรับปรุงติดตั้งเพิ่มเติมให้ทำงานแบบอินไลน์ได้อย่างง่ายดาย สำหรับการวิจัยและการทดสอบกระบวนการนี้ รวมถึงกระบวนการโซโนเคมีจำนวนมาก เราแนะนำอุปกรณ์ระดับห้องปฏิบัติการของเราหรือ UIP1000hd

สามารถกระจายนาโนไดมอนด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ด้วยเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.