Nghiền ướt bằng siêu âm: Các hạt mịn được tạo ra với độ chính xác cao

Các thiết bị siêu âm Hielscher là thiết bị nghiền hiệu quả, giúp giảm kích thước hạt, phân tán nano và nhũ hóa với hiệu suất cao thông qua hiện tượng xâm thực siêu âm cường độ cao được kiểm soát. Được thiết kế cho cả nghiên cứu và quy mô công nghiệp, các hệ thống này phá vỡ các kết tụ, nghiền mịn bột và tạo huyền phù đồng nhất một cách đáng tin cậy trong các lĩnh vực dược phẩm, mỹ phẩm, vật liệu nano và hóa chất chuyên dụng.

Từ bột thô đến các hạt micro và nano đồng đều

Các thiết bị siêu âm dạng đầu dò Hielscher thực hiện nghiền ướt và nghiền mịn mạnh mẽ với khả năng kiểm soát chính xác – không cần hạt nghiền, bi nghiền hay các vật liệu nghiền khác. Tạo huyền phù đặc đồng nhất có hàm lượng chất rắn cao và phân bố kích thước hạt hẹp, đồng thời rút ngắn thời gian xử lý và giảm nhu cầu năng lượng.
Nhờ khả năng kiểm soát biên độ chính xác và công nghệ truyền sóng âm tiên tiến, các thiết bị siêu âm đạt được kết quả đồng đều với tác động nhiệt tối thiểu, bảo toàn các hợp chất nhạy cảm đồng thời tối đa hóa năng suất xử lý và khả năng tái lập. Khám phá cách nghiền bằng siêu âm có thể tinh gọn quy trình phát triển công thức và nâng cao tính năng sản phẩm của bạn.

Ai nên sử dụng phương pháp nghiền ướt bằng siêu âm?

• Các nhà sản xuất cần giảm kích thước hạt có kiểm soát xuống cỡ micromet hoặc nanomet
• Các nhà sản xuất chất màu, mực in, sơn và lớp phủ hiệu năng cao
• Các đơn vị chế biến gốm, khoáng sản, xi măng và oxit kim loại
• Các đơn vị phát triển công thức dược phẩm và mỹ phẩm đang phát triển huyền phù hạt mịn
• Các nhà sản xuất pin, chất xúc tác và vật liệu tiên tiến
• Các công ty xử lý huyền phù đặc có nồng độ cao hoặc độ nhớt cao
• Các phòng thí nghiệm phát triển quy trình giảm kích thước hạt có khả năng mở rộng quy mô
• Các nhà sản xuất muốn đạt được phân bố kích thước hạt hẹp và đồng đều
• Các cơ sở muốn tránh nhiễm bẩn từ hạt nghiền hoặc bi nghiền
• Các nhà sản xuất hướng đến giảm thời gian nghiền, mức tiêu thụ năng lượng và yêu cầu vệ sinh

Giảm kích thước hạt có kiểm soát bằng siêu âm công suất cao

Việc giảm kích thước hạt xuống phạm vi micromet hoặc nanomet có thể làm thay đổi một công thức. Các hạt mịn hơn có thể cải thiện khả năng phản ứng, độ ổn định, diện tích bề mặt, tính chất quang học và tính năng của sản phẩm cuối cùng. Tuy nhiên, các máy nghiền bi, máy nghiền hạt và máy nghiền sử dụng vật liệu nghiền thông thường có thể đưa các hạt sinh ra do mài mòn vào sản phẩm, đòi hỏi công đoạn tách vật liệu nghiền tốn công sức và gặp khó khăn trong việc xử lý nhất quán ở nồng độ chất rắn cao. Nghiền ướt bằng siêu âm mang đến một phương án thay thế sạch và có thể kiểm soát.
Các thiết bị siêu âm dạng đầu dò Hielscher truyền siêu âm cường độ cao trực tiếp vào chất lỏng hoặc huyền phù đặc. Các sóng áp suất luân phiên tạo ra hiện tượng xâm thực âm: các bọt khí cực nhỏ hình thành và sụp đổ với cường độ cực mạnh, tạo ra các tia chất lỏng tốc độ cao, sóng xung kích và lực cắt mạnh. Các lực này gia tốc các hạt lơ lửng khiến chúng va chạm với nhau. Các va chạm giữa các hạt, sự phân mảnh và xói mòn bề mặt phát sinh từ đó làm giảm kích thước các kết tụ – và, trong điều kiện có cường độ đủ mạnh, cả các hạt sơ cấp – xuống cỡ micro và nano.
 

Alumina trihydrat được nghiền bằng siêu âm
AL(OH)3 được cung cấp bởi Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, Hoa Kỳ. AL(OH)3 còn được biết đến với các tên nhôm trihydroxit dòng ATH, alumina ngậm nước Bayer, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, Hydragyllite hoặc Gibbsite. Chất này có độ cứng Mohs từ 2,5 đến 3,5.

Phân bố kích thước hạt chính xác, có khả năng lặp lại và đồng đều

Quá trình nghiền siêu âm có khả năng điều chỉnh linh hoạt. Người vận hành có thể kiểm soát biên độ, năng lượng đầu vào, áp suất, nhiệt độ, thời gian lưu và lưu lượng để phù hợp với vật liệu và kích thước hạt mục tiêu. Nhờ đó, quy trình phù hợp với nhiều mức độ xử lý, từ phá vỡ kết tụ nhẹ nhàng đến nghiền mịn chuyên sâu. Các cấu hình tuần hoàn và buồng dòng chảy trên dây chuyền giúp huyền phù tiếp xúc đồng đều với vùng xâm thực, hỗ trợ tạo ra kết quả có khả năng tái lập và phân bố kích thước hạt hẹp, đồng nhất.
Mức độ kiểm soát này có giá trị đối với chất màu, mực, lớp phủ, gốm, oxit kim loại, khoáng chất, chất xúc tác, dược phẩm và các vật liệu tiên tiến khác, trong đó các hạt quá cỡ hoặc phân bố kích thước hạt rộng có thể ảnh hưởng đến chất lượng. Các thông số quy trình được thiết lập trong phòng thí nghiệm có thể được chuyển sang sản xuất thử nghiệm và sản xuất công nghiệp, cho phép phát triển và mở rộng quy mô một cách có hệ thống.

Xử lý huyền phù có hàm lượng chất rắn cao mà không cần vật liệu nghiền

Vì sự giảm kích thước hạt được thúc đẩy bởi hiện tượng xâm thực và va chạm giữa chính các hạt, nên không cần hạt nghiền, bi nghiền nhỏ hay bi nghiền. Việc loại bỏ vật liệu nghiền giúp tránh một nguồn nhiễm bẩn tiềm ẩn và loại bỏ nhu cầu mua, làm sạch, thay thế cũng như tách vật liệu nghiền khỏi huyền phù thành phẩm. Hình dạng đơn giản của các bề mặt tiếp xúc với chất lỏng cũng tạo thuận lợi cho việc vệ sinh và chuyển đổi sản phẩm.
Các thiết bị siêu âm Hielscher có thể xử lý huyền phù có nồng độ và độ nhớt cao. Hàm lượng chất rắn cao đồng nghĩa với việc cần xử lý ít chất lỏng hơn và, trong nhiều trường hợp, giảm nhu cầu cô đặc hoặc sấy ở công đoạn sau. Điều này cũng có thể tăng cường hiệu ứng nghiền giữa các hạt bằng cách tăng tần suất va chạm của hạt. Sự kết hợp này khiến nghiền siêu âm đặc biệt hấp dẫn đối với các hỗn hợp cô đặc và huyền phù ở quy mô sản xuất.
 

Ảnh hiển vi cho thấy tiến trình nghiền siêu âm các chất màu đỏ cánh sen gốc dầu

Ví dụ: Nghiền ướt các hạt nano bằng siêu âm công suất cao

Nghiền siêu âm đặc biệt phù hợp để xử lý các vật liệu có kích thước micromet và nanomet, như gốm, nhôm oxit trihydrat, bari sulfat, canxi carbonat và oxit kim loại. Các bảng dưới đây trình bày ảnh hiển vi về quá trình nghiền nhôm oxit trihydrat (từ 150 micromet xuống 10 micromet), gốm (từ 30 micromet xuống 2 micromet) và natri carbonat (từ 70 micromet xuống 3 micromet). Các ảnh hiển vi trên trang này cho thấy tiến trình nghiền siêu âm qua các ví dụ về gốm nha khoa, chất màu đỏ cánh sen, natri carbonat và nhôm oxit ngậm nước.
 

Ảnh hiển vi cho thấy tiến trình nghiền siêu âm natri carbonat (Na2CO3) trong isopropanol.

Tăng sản lượng từ mỗi công đoạn xử lý

Năng lượng siêu âm được truyền trực tiếp vào huyền phù, nơi diễn ra quá trình giảm kích thước hạt. Các lực xâm thực tác động nhanh có thể rút ngắn chu kỳ nghiền, trong khi việc chuyển đổi hiệu quả điện năng thành chuyển động cơ học có thể giảm nhu cầu năng lượng so với thiết bị nghiền thông thường. Xử lý liên tục trên dây chuyền còn hỗ trợ năng suất xử lý cao, chất lượng ổn định và khả năng tích hợp vào các dây chuyền sản xuất hiện có.
Đối với các nhà sản xuất mong muốn có hạt nhỏ hơn, phân bố kích thước hạt hẹp hơn, quá trình xử lý sạch hơn và khả năng mở rộng quy mô hiệu quả, các thiết bị siêu âm dạng đầu dò Hielscher biến nghiền ướt thành một quy trình được thiết kế chính xác – từ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp liên tục.

Vận hành liên tục để đạt năng suất xử lý cao

Máy đồng hóa siêu âm rất dễ lắp đặt và vận hành. Chỉ có hai bộ phận tiếp xúc với vật liệu cần nghiền: đầu phát siêu âm bằng titan và buồng dòng chảy bằng thép không gỉ. Nhờ thiết kế đơn giản của buồng dòng chảy siêu âm, các thiết bị có thể được vệ sinh nhanh chóng. Do các thiết bị siêu âm Hielscher có hiệu suất chuyển đổi điện năng thành cơ năng rất cao, quá trình nghiền siêu âm thường cần công suất thấp hơn so với thiết bị nghiền thông thường.

Máy siêu âm công nghiệp UIP6000hdT (6kW) để đồng thời phân tán sắc tố và tiệt trùng vi sinh vật trong các công thức sơn và lớp phủ gốc nước Hiệu ứng nghiền hạt dựa trên hiện tượng xâm thực siêu âm mạnh. Khi xử lý chất lỏng bằng siêu âm ở cường độ cao, sóng âm truyền vào môi trường lỏng tạo ra các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (giãn nở) xen kẽ, với tốc độ phụ thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bọt chân không nhỏ hoặc các khoang rỗng trong chất lỏng. Khi các bọt đạt đến thể tích mà tại đó chúng không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là xâm thực.
Sự sụp đổ của các bọt xâm thực tạo ra các dòng chảy rối vi mô và các tia chất lỏng vi mô có tốc độ lên đến 1000km/hr. Các hạt lớn bị xói mòn bề mặt (do sự sụp đổ của bọt xâm thực trong chất lỏng xung quanh) hoặc giảm kích thước (do bị phân tách bởi va chạm giữa các hạt hoặc sự sụp đổ của các bọt xâm thực hình thành trên bề mặt). Điều này làm tăng mạnh tốc độ khuếch tán, các quá trình truyền khối và các phản ứng pha rắn do kích thước và cấu trúc tinh thể con thay đổi.

Thiết bị xử lý siêu âm và buồng dòng chảy dùng để phân tán và nghiền ướt bột có sẵn cho quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất. Các hệ thống công nghiệp có thể dễ dàng được cải hoán để hoạt động trực tiếp trên dây chuyền. Để nghiên cứu và thử nghiệm quá trình này cũng như nhiều quá trình hóa siêu âm, chúng tôi khuyên dùng các thiết bị phòng thí nghiệm của chúng tôi hoặc UIP1000hd.

Kim cương nano có thể được phân tán hiệu quả và đáng tin cậy bằng các máy siêu âm Hielscher.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.