Ультразвукове мокре подрібнення: дрібні частинки, створені з високою точністю

Ультразвукові апарати Hielscher — це ефективне обладнання для подрібнення, призначене для високоефективного зменшення розміру частинок, нанодиспергування та емульгування за допомогою контрольованої ультразвукової кавітації високої інтенсивності. Ці системи, розроблені як для наукових досліджень, так і для промислового застосування, надійно руйнують агломерати, подрібнюють порошки та створюють однорідні суспензії у фармацевтиці, косметиці, наноматеріалах та спеціалізованій хімії.

Від грубого порошку до однорідних мікро- та наночастинок

Ультразвукові пристрої компанії Hielscher з зондовим типом забезпечують потужне та точно регульоване мокре подрібнення та дрібнодисперсне подрібнення – без використання кульок, кульок або інших подрібнювальних елементів. Отримуйте однорідні суспензії з високим вмістом твердої фази та вузьким розподілом частинок за розмірами, одночасно скорочуючи час обробки та зменшуючи енергоспоживання.
Завдяки точному регулюванню амплітуди та передовим технологіям поширення акустичних хвиль ультразвукові пристрої забезпечують рівномірні результати з мінімальним термічним впливом, зберігаючи чутливі сполуки та водночас максимізуючи пропускну здатність і відтворюваність. Дізнайтеся, як ультразвукове подрібнення може оптимізувати процес розробки рецептур та підвищити ефективність вашої продукції.

Кому слід застосовувати ультразвукове мокре подрібнення?

• Виробники, яким необхідне контрольоване зменшення розміру частинок до мікро- або нанометрового рівня
• Виробники пігментів, чорнил, фарб та високоякісних покриттів
• Обробні машини з кераміки, мінералів, цементу та оксидів металів
• Розробники фармацевтичних та косметичних препаратів, які створюють однорідні суспензії
• Виробники акумуляторів, каталізаторів та сучасних матеріалів
• Підприємства, що переробляють висококонцентровані або в’язкі суспензії
• Лабораторії, що розробляють масштабовані процеси подрібнення частинок
• Виробники, яким потрібен вузький, однорідний розподіл частинок за розмірами
• Процеси, в яких необхідно уникнути забруднення фрезерними кульками або кульками
• Виробники, які прагнуть скоротити час помелу, споживання енергії та зменшити вимоги до очищення

Контрольоване подрібнення частинок за допомогою потужного ультразвуку

Зменшення розміру частинок до мікронного або нанометрового діапазону може кардинально змінити склад препарату. Більш дрібні частинки можуть покращити реакційну здатність, стабільність, площу поверхні, оптичні властивості та експлуатаційні характеристики кінцевого продукту. Однак традиційні кульові, гранульні та абразивні млини можуть призводити до потрапляння частинок зносу, вимагають трудомісткого відокремлення абразивних матеріалів і не завжди забезпечують стабільність обробки при високих концентраціях твердих речовин. Ультразвукове мокре подрібнення пропонує чисту та контрольовану альтернативу.
Ультразвукові прилади типу «зонд» компанії Hielscher передають ультразвук високої інтенсивності безпосередньо в рідину або суспензію. Змінні хвилі тиску викликають акустичну кавітацію: мікроскопічні бульбашки утворюються та руйнуються з надзвичайною інтенсивністю, створюючи високошвидкісні струмені рідини, ударні хвилі та потужні зсувні сили. Ці сили прискорюють зіткнення частинок, що знаходяться в суспензії, одна з одною. Внаслідок цього відбуваються зіткнення частинок, їх фрагментація та ерозія поверхні, що зменшує утворення агломератів – а також, за достатньо екстремальних умов, первинні частинки – до мікро- та нанорозмірів.
 

Трігідрат оксиду алюмінію, подрібнений ультразвуком
AL(OH)₃ було поставлено компанією Alcoa World Alumina LLC, Піттсбург, штат Пенсільванія, США. AL(OH)₃ також відомий як тригідроксид алюмінію серії ATH, гідратований оксид алюмінію «Байєр», C-30, KB-30, KC-30, KH-30, гідрагіліт або гіббсіт. Він має твердість за шкалою Мооса’ твердість від 2,5 до 3,5.

Точний, відтворюваний та рівномірний розподіл частинок за розміром

Ультразвукове подрібнення має широкі можливості регулювання. Оператори можуть контролювати амплітуду, потужність, тиск, температуру, час перебування та швидкість потоку відповідно до особливостей матеріалу та бажаного розміру частинок. Завдяки цьому процес підходить для будь-яких завдань — від м’якого розбивання агломератів до інтенсивного дрібнодисперсного подрібнення. Конфігурації з рециркуляцією та вбудованою проточною коміркою забезпечують рівномірне перебування суспензії в зоні кавітації, що сприяє отриманню відтворюваних результатів та вузького, однорідного розподілу частинок за розміром.
Такий рівень контролю є важливим для пігментів, фарб, покриттів, кераміки, оксидів металів, мінералів, каталізаторів, фармацевтичних препаратів та інших сучасних матеріалів, у яких надмірно великі частинки або широкий розподіл за розмірами можуть негативно вплинути на якість. Параметри технологічного процесу, встановлені в лабораторії, можна перенести на пілотне та промислове виробництво, що забезпечує систематичну розробку та масштабування.

Технологія з високим вмістом твердої фази без використання подрібнювальних елементів

Оскільки подрібнення частинок відбувається за рахунок кавітації та зіткнень між самими частинками, використання кульок, перлин або подрібнювальних куль не потрібне. Відмова від подрібнювальних елементів дозволяє уникнути потенційного джерела забруднення та позбавляє від необхідності купувати, очищати, замінювати та відокремлювати ці елементи від готової суспензії. Проста геометрія зон контакту з рідиною також полегшує очищення та переналагодження виробництва.
Ультразвукові апарати Hielscher здатні обробляти висококонцентровані та в’язкі суспензії. Високий вміст твердих речовин означає менший об’єм рідини, що підлягає обробці, а в багатьох випадках — меншу необхідність подальшої концентрації або сушіння. Це також може посилити ефект подрібнення між частинками завдяки збільшенню частоти їх зіткнень. Таке поєднання робить ультразвукове подрібнення особливо привабливим для концентрованих мастербатчів та суспензій, що виробляються в промислових масштабах.
 

Зображення під мікроскопом, що ілюструють хід ультразвукового подрібнення магентових пігментів на олійній основі

Приклади: Мокре подрібнення наночастинок за допомогою потужного ультразвуку

Ультразвукове подрібнення особливо добре підходить для обробки матеріалів мікронного та нанорозмірного діапазону, таких як кераміка, тригідрат оксиду алюмінію, сульфат барію, карбонат кальцію та оксиди металів. У таблицях нижче наведено мікроскопічні зображення процесу подрібнення тригідрату оксиду алюмінію (від 150 до 10 мікрон), кераміки (від 30 до 2 мікрон) та карбонату натрію (від 70 до 3 мікрон). Мікроскопічні знімки на цій сторінці демонструють хід ультразвукового подрібнення на прикладах стоматологічної кераміки, магентових пігментів, карбонату натрію та гідратованого оксиду алюмінію.
 

Зображення, отримані за допомогою мікроскопа, що ілюструють хід ультразвукового подрібнення карбонату натрію (Na₂CO₃) в ізопропанолі.

Більший обсяг продукції на кожному етапі переробки

Ультразвукова енергія подається безпосередньо в суспензію, де відбувається подрібнення частинок. Швидкі кавітаційні сили дозволяють скоротити цикли подрібнення, а ефективне перетворення електричної енергії в механічний рух — знизити енергоспоживання порівняно зі звичайним подрібнювальним обладнанням. Безперервна потокова обробка додатково сприяє високій пропускній здатності, стабільній якості та інтеграції в існуючі виробничі лінії.
Для виробників, яким потрібні дрібніші частинки, більш вузькі гранулометричні розподіли, чистіші технологічні процеси та ефективне масштабування, ультразвукові апарати Hielscher з зондовим типом перетворюють мокре подрібнення на точно спроектований технологічний процес – від лабораторних випробувань до безперервного промислового виробництва.

Безперервна робота для забезпечення високої пропускної здатності

Ультразвукові гомогенізатори дуже прості в установці та експлуатації. З матеріалом, що підлягає подрібненню, контактують лише дві деталі: титановий сонотрод та проточну камеру з нержавіючої сталі. Завдяки простій конструкції ультразвукової проточної камери обладнання можна швидко очистити. Оскільки ультразвукові пристрої Hielscher мають дуже високий ККД перетворення електричної енергії в механічну, для ультразвукового подрібнення зазвичай потрібно менше енергії, ніж для традиційного подрібнювального обладнання.

Промисловий ультразвуковий апарат UIP6000hdT (6 кВт) для одночасного диспергування пігментів та стерилізації мікроорганізмів у водорозчинних фарбах та покривних сумішах [/caption]Ефект подрібнення частинок ґрунтується на інтенсивній ультразвуковій кавітації. Під час обробки рідин ультразвуком з високою інтенсивністю звукові хвилі, що поширюються в рідкому середовищі, створюють чергування циклів високого тиску (стиснення) та низького тиску (розрідження), частота яких залежить від частоти ультразвуку. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі високої інтенсивності утворюють у рідині дрібні вакуумні бульбашки або порожнини. Коли об’єм бульбашок досягає межі, за якої вони більше не можуть поглинати енергію, вони бурхливо руйнуються під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітацією.
Імплозія кавітаційних бульбашок призводить до мікротурбулентності та мікроструменів зі швидкістю до 1000 км/год. Великі частинки схильні до поверхневої ерозії (через кавітаційний колапс у навколишній рідині) або зменшенню розміру частинок (через поділ через зіткнення між частинками або колапс кавітаційних бульбашок, що утворилися на поверхні). Це призводить до різкого прискорення дифузійних, масообмінних процесів і твердофазних реакцій за рахунок зміни розмірів і структури кристалітів.

Ультразвукові процесори та проточні камери для диспергування та мокрого подрібнення порошків доступні як для лабораторного, так і для виробничого рівня. Промислові системи можна легко модернізувати для роботи в потоковому режимі. Для досліджень та випробувань цього процесу, а також для багатьох сонохімічних процесів ми рекомендуємо наші лабораторні прилади або модель UIP1000hd.

Наноалмази можна ефективно і надійно диспергувати за допомогою ультразвукових апаратів Hielscher.

Література / Список літератури