Ультразвукове мокре подрібнення: дрібні частинки з точно заданими характеристиками
Ультразвукові апарати Hielscher – це ефективне обладнання для високоефективного зменшення розміру частинок, нанодиспергування та емульгування завдяки контрольованій високоінтенсивній ультразвуковій кавітації. Розроблені як для досліджень, так і для промислового виробництва, ці системи надійно руйнують агломерати, подрібнюють порошки та створюють однорідні суспензії у фармацевтиці, косметичній промисловості, виробництві наноматеріалів і спеціальних хімічних продуктів.
Від грубого порошку до однорідних мікро- та наночастинок
Зондові ультразвукові апарати Hielscher забезпечують потужне мокре подрібнення та тонкий помел із точним контролем – без бісеру, куль або інших подрібнювальних тіл. Отримуйте однорідні суспензії з високим вмістом твердої фази та вузьким розподілом частинок за розмірами, скорочуючи час обробки та зменшуючи енергоспоживання.
Завдяки точному контролю амплітуди та вдосконаленому поширенню акустичних хвиль ультразвукові апарати забезпечують однорідні результати з мінімальним тепловим впливом, зберігаючи чутливі сполуки та максимізуючи продуктивність і відтворюваність. Дізнайтеся, як ультразвукове подрібнення може спростити робочий процес розроблення рецептур і підвищити експлуатаційні характеристики продукту.
Кому варто використовувати ультразвукове мокре подрібнення?
- Виробникам, яким потрібне контрольоване зменшення розміру частинок до мікрометрового або нанометрового рівня
- Виробникам пігментів, чорнил, фарб і високоефективних покриттів
- Підприємствам із перероблення кераміки, мінералів, цементу та оксидів металів
- Розробникам фармацевтичних і косметичних рецептур, які створюють тонкодисперсні суспензії
- Виробникам акумуляторів, каталізаторів і передових матеріалів
- Компаніям, що переробляють висококонцентровані або в’язкі суспензії
- Лабораторіям, які розробляють масштабовані процеси зменшення розміру частинок
- Виробникам, які прагнуть отримати вузький, однорідний розподіл частинок за розмірами
- Підприємствам, які прагнуть уникнути забруднення від подрібнювального бісеру або куль
- Виробникам, які прагнуть скоротити час подрібнення, зменшити енергоспоживання та потребу в очищенні
Розкажіть нам про ваш матеріал, вміст твердої фази та цільовий розмір частинок. Наша команда експертів з ультразвукової обробки порекомендує вам конфігурацію ультразвукового обладнання для поліпшення подрібнення частинок.
Промисловий ультразвуковий апарат UIP16000hdT потужністю 16 000 ват для мокрого подрібнення пігментів і наночастинок
Контрольоване зменшення розміру частинок за допомогою потужного ультразвуку
Зменшення розміру частинок до мікрометрового або нанометрового діапазону може змінити властивості рецептури. Дрібніші частинки можуть підвищити реакційну здатність, поліпшити стабільність, збільшити площу поверхні, покращити оптичні властивості та експлуатаційні характеристики кінцевого продукту. Однак традиційні кульові, бісерні та інші млини з подрібнювальними тілами можуть вносити частинки зносу, потребувати трудомісткого відокремлення подрібнювальних тіл і мати труднощі із забезпеченням рівномірної обробки за високих концентрацій твердої фази. Ультразвукове мокре подрібнення пропонує чисту, контрольовану альтернативу.
Зондові ультразвукові апарати Hielscher передають високоінтенсивний ультразвук безпосередньо в рідину або суспензію. Хвилі зі змінним тиском створюють акустичну кавітацію: мікроскопічні бульбашки утворюються та схлопуються з надзвичайною інтенсивністю, генеруючи високошвидкісні струмені рідини, ударні хвилі та потужні зсувні сили. Ці сили прискорюють завислі частинки назустріч одна одній. Спричинені цим міжчастинкові зіткнення, фрагментація та поверхнева ерозія зменшують агломерати – а за достатньо інтенсивних умов і первинні частинки – до мікро- та нанорозмірів.
Тригідрат оксиду алюмінію, подрібнений ультразвуком
AL(OH)3 надано компанією Alcoa World Alumina LLC, Піттсбург, Пенсильванія, США. AL(OH)3 також відомий як тригідроксид алюмінію серії ATH, гідратований оксид алюмінію за Байєром, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, гідраргіліт або гібсит. Його твердість за шкалою Мооса становить від 2,5 до 3,5.
Ультразвукові проточні реактори для промислового виробництва суспензій наночастинок безпосередньо в технологічній лінії.
Точний, відтворюваний і однорідний розподіл частинок за розмірами
Ультразвукове подрібнення має широкі можливості регулювання. Оператори можуть регулювати амплітуду, підведену енергію, тиск, температуру, час перебування та об’ємну витрату відповідно до матеріалу й цільового розміру частинок. Завдяки цьому процес придатний як для м’якої деагломерації, так і для інтенсивного тонкого помелу. Конфігурації з рециркуляцією та проточними комірками, вбудованими в технологічну лінію, забезпечують рівномірний вплив кавітаційної зони на суспензію, сприяючи відтворюваним результатам і вузькому, однорідному розподілу частинок за розмірами.
Такий рівень контролю цінний для пігментів, чорнил, покриттів, кераміки, оксидів металів, мінералів, каталізаторів, фармацевтичних препаратів та інших передових матеріалів, для яких надмірно великі частинки або широкий розподіл за розмірами можуть погіршити якість. Параметри процесу, визначені в лабораторії, можна перенести на пілотне та промислове виробництво, що дає змогу систематично розробляти й масштабувати процес.
Обробка суспензій із високим вмістом твердих речовин без подрібнювальних тіл
Оскільки зменшення розміру частинок відбувається завдяки кавітації та зіткненням самих частинок між собою, бісер, перлини чи помельні кулі не потрібні. Відмова від подрібнювальних тіл усуває потенційне джерело забруднення та потребу купувати, очищувати, замінювати й відокремлювати ці тіла від готової суспензії. Проста геометрія поверхонь, що контактують із продуктом, також полегшує очищення та перехід на інший продукт.
Ультразвукові апарати Hielscher можуть обробляти висококонцентровані та в’язкі суспензії. Високий вміст твердих речовин означає менший обсяг рідини для обробки та, у багатьох випадках, меншу потребу в подальшому концентруванні чи сушінні. Він також може посилювати ефект взаємного подрібнення частинок завдяки збільшенню частоти їхніх зіткнень. Таке поєднання робить ультразвукове подрібнення особливо привабливим для концентрованих маточних сумішей і суспензій у виробничих масштабах.
Мікроскопічні зображення, що показують перебіг ультразвукового подрібнення пурпурових пігментів на олійній основі
Приклади: мокрий помел наночастинок за допомогою потужного ультразвуку
Ультразвукове подрібнення особливо придатне для обробки матеріалів із частинками мікронного та нанорозмірного діапазонів, таких як кераміка, тригідрат оксиду алюмінію, сульфат барію, карбонат кальцію та оксиди металів. У наведених нижче таблицях представлено мікроскопічні зображення подрібнення тригідрату оксиду алюмінію (від 150 мікрон до 10 мікрон), кераміки (від 30 мікрон до 2 мікрон) і карбонату натрію (від 70 мікрон до 3 мікрон). Мікроскопічні зображення на цій сторінці показують перебіг ультразвукового подрібнення на прикладах стоматологічної кераміки, пурпурових пігментів, карбонату натрію та гідратованого оксиду алюмінію.
Мікроскопічні зображення, що показують перебіг ультразвукового подрібнення карбонату натрію (Na2CO3) в ізопропанолі.
Крейдяна фарба після ультразвукової обробки на гриндометрі демонструє ідеально рівномірні деагломерацію та розподіл частинок пігментів за розмірами
Ультразвукове диспергування забезпечує ефективне зменшення розміру частинок і рівномірний розподіл пігментів технічного вуглецю в УФ-чорнилі.
Більший вихід продукції на кожному етапі обробки
Ультразвукова енергія підводиться безпосередньо до суспензії, де відбувається зменшення розміру частинок. Швидкодійні кавітаційні сили можуть скоротити цикли подрібнення, а ефективне перетворення електричної енергії на механічний рух може зменшити енергоспоживання порівняно з традиційним подрібнювальним обладнанням. Безперервна обробка в технологічній лінії додатково сприяє високій продуктивності, стабільній якості та інтеграції в наявні виробничі лінії.
Для виробників, які прагнуть отримати дрібніші частинки, вужчі розподіли за розмірами, чистішу обробку та ефективне масштабування, ультразвукові апарати Hielscher зондового типу перетворюють мокрий помел на точно спроєктований процес – від лабораторних випробувань до безперервного промислового виробництва.
Безперервна робота для високої продуктивності
Ультразвукові гомогенізатори дуже прості в установленні та експлуатації. З матеріалом, що подрібнюється, контактують лише дві деталі: титановий сонотрод і проточна комірка з нержавіючої сталі. Завдяки простій конструкції ультразвукової проточної комірки установки можна швидко очищувати. Оскільки ультразвукові пристрої Hielscher мають дуже високий ККД перетворення електричної енергії на механічну, для ультразвукового подрібнення зазвичай потрібна менша потужність, ніж для звичайного подрібнювального обладнання.
Промисловий ультразвуковий апарат UIP6000hdT (6kW) для одночасного диспергування пігментів і мікробної стерилізації водних композицій фарб і покриттів Ефект подрібнення частинок ґрунтується на інтенсивній ультразвуковій кавітації. Під час ультразвукової обробки рідин за високої інтенсивності звукові хвилі, що поширюються в рідкому середовищі, спричиняють чергування циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження), швидкість чергування яких залежить від частоти. Під час циклу низького тиску високоінтенсивні ультразвукові хвилі створюють у рідині невеликі вакуумні бульбашки або порожнини. Коли бульбашки досягають об’єму, за якого більше не можуть поглинати енергію, вони різко схлопуються під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітацією.
Імплозія кавітаційних бульбашок спричиняє мікротурбулентність і мікрострумені зі швидкістю до 1000km/hr. Великі частинки зазнають поверхневої ерозії (через схлопування кавітаційних бульбашок у навколишній рідині) або зменшення розміру (через розколювання внаслідок зіткнень між частинками або схлопування кавітаційних бульбашок, що утворилися на поверхні). Це призводить до різкого прискорення дифузії, процесів масоперенесення та реакцій у твердій фазі внаслідок зміни розміру й структури кристалітів.
Ультразвукові процесори та проточні комірки для диспергування й мокрого подрібнення порошків доступні для лабораторного та виробничого застосування. Промислові системи можна легко дооснастити для роботи в потоці. Для дослідження й випробування цього процесу, а також для багатьох сонохімічних процесів ми рекомендуємо наші лабораторні пристрої або UIP1000hd.
Наноалмази можна ефективно й надійно диспергувати за допомогою ультразвукових апаратів Hielscher.
Поширені запитання про ультразвукове мокре подрібнення
Що таке ультразвукове мокре подрібнення?
Ультразвукове мокре подрібнення – це процес зменшення розміру частинок, під час якого на рідку суспензію впливають ультразвуком високої потужності. Акустична кавітація створює інтенсивні зсувні сили, ударні хвилі та зіткнення між частинками, які руйнують агломерати й зменшують тверді частинки до мікронних або нанометрових розмірів.
Як ультразвуковий апарат зондового типу зменшує розмір частинок?
Ультразвуковий зонд, або сонотрод, передає високоінтенсивний ультразвук безпосередньо в суспензію. Кавітаційні бульбашки утворюються та схлопуються, створюючи високошвидкісні струмені рідини, які прискорюють частинки й спрямовують їх одна на одну. Ці зіткнення спричиняють фрагментацію частинок, поверхневу ерозію та ефективну деагломерацію.
Чи можна отримувати наночастинки за допомогою ультразвукового мокрого подрібнення?
Так. Ультразвукові апарати Hielscher зондового типу можна використовувати для контрольованої мікронізації та зменшення частинок до нанорозмірів. Досяжний розмір частинок залежить від матеріалу, початкового розміру частинок, складу суспензії, концентрації твердої фази, інтенсивності обробки, температури, тиску й тривалості ультразвукової обробки.
Які матеріали можна обробляти за допомогою ультразвукового подрібнення?
Ультразвукове мокре подрібнення підходить для пігментів, чорнил, кераміки, оксидів металів, мінералів, цементу, каталізаторів, матеріалів для акумуляторів, фармацевтичних препаратів, косметичних засобів і передових наноматеріалів. Воно дає змогу обробляти частинки, суспендовані у воді, розчинниках, оліях, смолах та інших сумісних рідких середовищах.
Чи потрібні для ультразвукового подрібнення бісер або кулі?
Ні. Для ультразвукового зменшення розміру частинок не потрібні звичайні подрібнювальні тіла. Зіткнення частинок, спричинені кавітацією, забезпечують ефект подрібнення. Відмова від бісеру та куль зменшує ризик забруднення, пов’язаного з подрібнювальними тілами, й усуває потребу в їх відокремленні, очищенні, заміні та утилізації.
Чи можуть ультразвукові апарати Hielscher обробляти суспензії з високим вмістом твердої фази?
Так. Ультразвукові процесори Hielscher можуть обробляти висококонцентровані та в’язкі суспензії. Високий вміст твердої фази зменшує об’єм рідини, яку потрібно обробити, і може посилювати зіткнення між частинками, що робить ультразвукове подрібнення привабливим для обробки концентрованих суспензій і виробництва суперконцентратів.
Чи забезпечує ультразвукове подрібнення вузький розподіл частинок за розміром?
Рівномірний вплив зони ультразвукової кавітації сприяє вузькому й однорідному розподілу частинок за розміром. Рециркуляція та безперервна обробка в потоці допомагають забезпечити однакову обробку всієї суспензії, водночас зменшуючи кількість надмірно великих або недостатньо оброблених частинок.
Які параметри ультразвукового подрібнення можна контролювати?
До важливих параметрів належать амплітуда ультразвукових коливань, підведена енергія, тиск, температура, об’ємна витрата, час перебування та концентрація твердої фази. Точне керування дає змогу налаштувати процес для м’якої деагломерації, інтенсивного тонкого подрібнення або відтворюваного нанодиспергування.
Чи є ультразвукове мокре подрібнення енергоефективним?
Ультразвукова енергія передається безпосередньо в суспензію, де відбувається зменшення розміру частинок. Швидка дія кавітаційних сил може скорочувати цикли обробки та знижувати енергоспоживання порівняно з деякими традиційними методами подрібнення. Фактичне енергоспоживання залежить від матеріалу, цільового розміру частинок, продуктивності та конфігурації процесу.
Чи можна здійснювати ультразвукове подрібнення безперервно?
Так. Ультразвукові апарати Hielscher можна інтегрувати з реакторами з проточними комірками для безперервного мокрого подрібнення в потоці. Обробка в потоці забезпечує контрольований час перебування, стабільну якість продукту, високу продуктивність і просту інтеграцію в наявні промислові виробничі лінії.
Чи можна масштабувати процес ультразвукового подрібнення?
Процес ультразвукового подрібнення можна розробити за допомогою лабораторного ультразвукового апарата та перенести на пілотне або промислове обладнання, використовуючи визначені параметри процесу й питому підведену енергію. Hielscher пропонує ультразвукові апарати зондового типу для маломасштабних випробувань, розробки процесів і безперервного комерційного виробництва.
Як вибрати відповідний ультразвуковий апарат Hielscher?
Вибір ультразвукового апарата залежить від матеріалу, об’єму суспензії, вмісту твердої фази, в’язкості, початкового розміру частинок, необхідного кінцевого розміру та бажаної продуктивності. Пробне подрібнення може допомогти визначити оптимальну амплітуду, потребу в енергії, геометрію зонда та конфігурацію для періодичної обробки або обробки в потоці.
Дізнайтеся більше про технологічну лабораторію Hielscher для перевірки здійсненності ваших процесів та їх оптимізації.
Література / Джерела
- 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
Мікроскопічні зображення, що демонструють перебіг ультразвукового подрібнення стоматологічної кераміки