Nghiền ướt bằng sóng siêu âm: Hạt mịn, được chế tạo chính xác

Các thiết bị siêu âm Hielscher là thiết bị nghiền hiệu quả, chuyên dùng để giảm kích thước hạt với hiệu suất cao, phân tán nano và tạo nhũ tương thông qua hiện tượng xâm thực siêu âm có cường độ cao và được kiểm soát chặt chẽ. Được thiết kế dành cho cả quy mô nghiên cứu và công nghiệp, các hệ thống này có khả năng phân tán các cụm kết tụ, tinh chế bột và tạo ra các hỗn hợp 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 vi và nano đồng nhất

Các thiết bị siêu âm kiểu đầu dò của Hielscher mang lại khả năng nghiền ướt và nghiền mịn mạnh mẽ, có thể điều khiển chính xác – không sử dụng hạt, bi hay các chất mài mòn khác. Tạo ra các hỗn hợp bùn đồng nhất, có hàm lượng chất rắn cao với phân bố kích thước hạt hẹp, đồng thời rút ngắn thời gian xử lý và giảm nhu cầu năng lượng.
Nhờ tận dụng khả năng kiểm soát biên độ chính xác và cơ chế truyền sóng âm tiên tiến, các thiết bị siêu âm mang lại kết quả đồng đều với tác động nhiệt tối thiểu, giúp bảo toàn các hợp chất nhạy cảm đồng thời tối đa hóa năng suất và độ lặp lại. Hãy khám phá cách công nghệ nghiền siêu âm có thể tối ưu hóa quy trình phát triển công thức của bạn và nâng cao hiệu suất sản phẩm.

Ai nên sử dụng công nghệ nghiền ướt bằng sóng siêu âm?

• Các nhà sản xuất có nhu cầu giảm kích thước hạt được kiểm soát xuống mức micron hoặc nanomet
• Các nhà sản xuất bột màu, mực in, sơn và lớp phủ hiệu suất cao
• Các thiết bị xử lý gốm, khoáng sản, xi măng và oxit kim loại
• Các nhà nghiên cứu công thức dược phẩm và mỹ phẩm chuyên phát triển các hệ nhũ tương mịn
• Các nhà sản xuất pin, chất xúc tác và vật liệu tiên tiến
• Các doanh nghiệp xử lý bùn có nồng độ cao hoặc có độ nhớt cao
• Các phòng thí nghiệm đang phát triển các quy trình giảm kích thước hạt có khả năng mở rộng quy mô
• Các nhà sản xuất mong muốn có được phân bố kích thước hạt hẹp và đồng đều
• Các quy trình sản xuất muốn tránh sự nhiễm bẩn từ các hạt hoặc quả cầu dùng trong quá trình nghiền
• Các nhà sản xuất mong muốn giảm thời gian xay xát, mức tiêu thụ năng lượng và yêu cầu về vệ sinh

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

Việc giảm kích thước hạt xuống mức micron hoặc nanomet có thể mang lại sự thay đổi đáng kể cho công thức. Các hạt mịn hơn có thể cải thiện tính phản ứng, độ ổn định, diện tích bề mặt, tính chất quang học và hiệu suất của sản phẩm cuối cùng. Tuy nhiên, các máy nghiền bi, hạt và phương tiện nghiền truyền thống có thể tạo ra các hạt mài mòn, đòi hỏi quá trình tách phương tiện nghiền tốn nhiều công sức và gặp khó khăn trong việc đảm bảo quá trình xử lý đồng đều ở nồng độ chất rắn cao. Phương pháp nghiền ướt bằng sóng siêu âm mang lại một giải pháp thay thế sạch sẽ và có thể kiểm soát được.
Các thiết bị siêu âm kiểu đầu dò của Hielscher truyền sóng siêu âm cường độ cao trực tiếp vào chất lỏng hoặc hỗn hợp bùn. Các sóng áp suất xen kẽ tạo ra hiện tượng xâm thực âm thanh: các bong bóng vi mô hình thành và vỡ tan với cường độ cực cao, tạo ra các tia chất lỏng tốc độ cao, sóng xung kích và lực cắt mạnh mẽ. Những lực này đẩy các hạt lơ lửng va chạm vào nhau. Các va chạm giữa các hạt, quá trình phân mảnh và sự mài mòn bề mặt do đó xảy ra giúp làm giảm các cụm hạt kết tụ. – và, trong điều kiện đủ khắc nghiệt, các hạt sơ cấp – đến kích thước vi và nano.
 

Alumina Trihydrate được nghiền bằng sóng siêu âm
AL(OH)₃ được cung cấp bởi Alcoa World Alumina LLC, Pittsburgh, PA, Hoa Kỳ. AL(OH)₃ còn được gọi là Aluminum Trihydroxide ATH Series, Bayer Hydrated Alumina, C-30, KB-30, KC-30, KH-30, Hydragyllite hoặc Gibbsite. Nó có độ cứng theo thang Mohs’ độ cứng từ 2,5 đến 3,5.

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

Quá trình nghiền siêu âm có khả năng điều chỉnh cao. Người vận hành có thể điều khiển biên độ, công suất đầu vào, áp suất, nhiệt độ, thời gian lưu và lưu lượng để phù hợp với vật liệu và kích thước hạt mục tiêu. Điều này giúp quy trình này phù hợp với mọi ứng dụng, từ việc tách cụm nhẹ nhàng đến nghiền mịn cường độ cao. Các cấu hình tuần hoàn và buồng dòng chảy liên tục giúp bùn được tiếp xúc đồng đều với vùng xâm thực, đảm bảo kết quả ổn định và phân bố kích thước hạt hẹp, đồng nhất.
Mức độ kiểm soát này rất quan trọng đối với các loại bột màu, mực in, chất phủ, gốm sứ, oxit kim loại, khoáng chất, chất xúc tác, dược phẩm và các vật liệu tiên tiến khác, trong đó các hạt có kích thước quá lớn hoặc phân bố kích thước quá rộng có thể làm giảm chất lượng. Các thông số quy trình được thiết lập trong phòng thí nghiệm có thể được áp dụng vào sản xuất thử nghiệm và sản xuất công nghiệp, tạo điều kiện cho việc phát triển có hệ thống và mở rộng quy mô.

Quy trình chế biến hàm lượng chất rắn cao mà không cần sử dụng vật liệu nghiền

Vì quá trình giảm kích thước hạt diễn ra nhờ hiện tượng xâm thực và các va chạm giữa chính các hạt với nhau, nên không cần sử dụng các hạt, viên ngọc hay bi nghiền. Việc loại bỏ các vật liệu nghiền giúp tránh được một nguồn ô nhiễm tiềm ẩn và loại bỏ nhu cầu phải mua sắm, làm sạch, thay thế cũng như tách các vật liệu này ra khỏi hỗn hợp bùn thành phẩm. Hình dạng tiếp xúc với chất lỏng đơn giản cũng giúp việc làm sạch và chuyển đổi sản phẩm trở nên dễ dàng hơn.
Máy siêu âm Hielscher có thể xử lý các hỗn hợp bùn có nồng độ cao và độ nhớt lớn. Hàm lượng chất rắn cao đồng nghĩa với việc lượng chất lỏng cần xử lý ít hơn và, trong nhiều trường hợp, giảm bớt quá trình cô đặc hoặc sấy khô ở các công đoạn sau. Điều này cũng có thể tăng cường hiệu quả nghiền giữa các hạt bằng cách gia tăng tần suất va chạm giữa các hạt. Sự kết hợp này khiến quá trình nghiền siêu âm trở nên đặc biệt phù hợp cho các hỗn hợp chủ (masterbatches) có nồng độ cao và các hỗn hợp lơ lửng ở quy mô sản xuất.
 

Hình ảnh kính hiển vi cho thấy quá trình nghiền bằng sóng siêu âm các chất màu magenta gốc dầu

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

Quá trình nghiền siêu âm đặc biệt phù hợp để xử lý các vật liệu có kích thước micromet và nano, chẳng hạn như gốm sứ, nhôm oxit trihydrat, bari sunfat, canxi cacbonat và các oxit kim loại. Các bảng dưới đây trình bày hình ảnh hiển vi về quá trình nghiền alumina trihydrate (từ 150 micron xuống còn 10 micron), gốm sứ (từ 30 micron xuống còn 2 micron) và natri cacbonat (từ 70 micron xuống còn 3 micron). Các hình ảnh hiển vi trên trang này cho thấy quá trình nghiền siêu âm thông qua các ví dụ về gốm nha khoa, bột màu magenta, natri cacbonat và nhôm oxit ngậm nước.
 

Các hình ảnh kính hiển vi cho thấy quá trình nghiền siêu âm của natri cacbonat (Na₂CO₃) trong isopropanol.

Năng suất cao hơn ở mỗi công đoạn chế biến

Năng lượng siêu âm được truyền trực tiếp vào hỗn hợp bùn, nơi diễn ra quá trình giảm kích thước hạt. Lực xâm thực nhanh có thể rút ngắn chu kỳ nghiền, trong khi việc chuyển đổi hiệu quả năng lượng điện thành chuyển động cơ học có thể giảm nhu cầu năng lượng so với thiết bị nghiền truyền thống. Quy trình xử lý liên tục trong dây chuyền sản xuất còn giúp đảm bảo năng suất 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 đạt được kích thước hạt nhỏ hơn, phân bố kích thước hạt chặt chẽ hơn, quy trình chế biến sạch hơn và khả năng mở rộng quy mô hiệu quả, các thiết bị siêu âm kiểu đầu dò của Hielscher biến quá trình nghiền ướt thành một quy trình được thiết kế chính xác. – từ các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp liên tục.

Hoạt động liên tục để đạt năng suất cao

Máy đồng nhất siêu âm rất dễ lắp đặt và vận hành. Chỉ có hai bộ phận tiếp xúc trực tiếp với vật liệu cần nghiền: điện cực siêu âm bằng titan và buồng chảy bằng thép không gỉ. Nhờ thiết kế đơn giản của buồng chảy siêu âm, các thiết bị này có thể được làm sạch nhanh chóng. Do các thiết bị siêu âm của Hielscher có hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học rất cao, nên thông thường việc nghiền bằng siêu âm cần ít năng lượng hơn so với thiết bị nghiền truyền thống.

Máy siêu âm công nghiệp UIP6000hdT (6 kW) dùng để phân tán sắc tố và khử trùng vi sinh vật đồng thời trong các công thức sơn và chất phủ gốc nước [/caption]Hiệu ứng nghiền hạt dựa trên hiện tượng xâm thực siêu âm cường độ cao. Khi xử lý chất lỏng bằng sóng siêu âm ở cường độ cao, các sóng âm lan truyền vào môi trường chất lỏng tạo ra các chu kỳ xen kẽ giữa áp suất cao (nén) và áp suất thấp (giãn nở), với tần suất phụ thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bong bóng chân không nhỏ hoặc các khoảng trống trong chất lỏng. Khi các bong bóng đạt đến thể tích mà chúng không thể hấp thụ năng lượng nữa, chúng sẽ vỡ tung một cách dữ dội trong chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng xâm thực.
Sự nổ tung của các bong bóng xâm thực dẫn đến các nhiễu loạn vi mô và máy bay phản lực siêu nhỏ lên tới 1000km / giờ. Các hạt lớn có thể bị xói mòn bề mặt (thông qua sự sụp đổ xâm thực trong chất lỏng xung quanh) hoặc giảm kích thước hạt (do phân hạch thông qua va chạm giữa các hạt hoặc sự sụp đổ của bong bóng xâm thực hình thành trên bề mặt). Điều này dẫn đến sự tăng tốc mạnh của quá trình khuếch tán, chuyển khối lượng và phản ứng pha rắn do kích thước tinh thể và cấu trúc thay đổi.

Các thiết bị xử lý bằng sóng siêu âm và buồng dòng chảy dùng để phân tán và nghiền ướt bột hiện có sẵn cho cả cấp độ phòng thí nghiệm và sản xuất. Các hệ thống công nghiệp có thể dễ dàng được nâng cấp để hoạt động theo quy trình liên tục. Đối với nghiên cứu và thử nghiệm quy trình này cũng như nhiều quy trình hóa học bằng sóng siêu âm khác, chúng tôi khuyến nghị sử dụng các thiết bị phòng thí nghiệm của chúng tôi hoặc model UIP1000hd.

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

Văn học / Tài liệu tham khảo