Process ultrasonic spectroscopy

Die chemische Industrie spielt eine entscheidende Rolle in der europäischen Wirtschaft. Obwohl Spezialchemikalien nur 26 % der Produktion ausmachen, sind sie in zahlreichen Sektoren unverzichtbar, darunter Bauindustrie, Kosmetik, Automobil- und Lebensmittelindustrie. Besonders Titandioxid (TiO2) ist ein essenzielles Material, dessen Eigenschaften stark von der Partikelgröße abhängen. Hier setzt die Ultraschall Spektroskopie als innovatives Verfahren zur Prozessüberwachung an.

Titandioxid und seine Anwendungen

Titandioxid ist ein weit verbreitetes Material, das sowohl als Hauptbestandteil als auch als Additiv in Produkten wie Farben, Sonnencremes, Zahnpasten und Lebensmitteln verwendet wird. Zudem werden jährlich weltweit rund 1,5 Millionen Tonnen produziert, von denen etwa 60 % in Farben und Beschichtungen zum Einsatz kommen. Gerade hier kann die Ultraschall Spektroskopie ansetzen.

The Partikelgröße von TiO2 ist ein entscheidender Faktor für die Eigenschaften des Endprodukts. Während Sonnencremes Partikelgrößen von etwa 300 nm benötigen, erfordern transparente UV-Blocker deutlich kleinere Partikel. Je kleiner die Partikel, desto höher die Fertigungskosten – diese können bis zu zehnmal höher ausfallen.

TiO2 als weißes Pigment:
Damit TiO2 als weißes Pigment eingesetzt werden kann, müssen die Partikel sichtbares Licht im Bereich von 440 nm bis 700 nm reflektieren. Die optimale Partikelgröße für diese Reflexion liegt bei etwa 300 nm. Unterschiede in der Partikelgröße beeinflussen jedoch die Farbqualität. Ist der Großteil der Partikel kleiner als 300 nm, entsteht ein Blaustich, der für Waschmittel erwünscht ist, bei Wandfarben jedoch die Deckkraft reduziert. Größere Partikel hingegen führen zu einem braunen Farbton und einem Verlust an Glanz.

Herausforderungen bei der Prozessüberwachung

Die Herstellung von TiO2 erfordert präzise Prozessüberwachung, um die optimale Partikelgröße von 300 nm zu erreichen. Da optische Messtechniken aufgrund der geringen Lichtdurchlässigkeit von TiO2-Proben unbrauchbar sind, wurden bisher Proben entnommen, verdünnt und mit UV-Spektrometern analysiert. Dieses Verfahren ist jedoch zeitaufwendig, fehleranfällig und stark abhängig vom pH-Wert der Proben, was die Nutzung von Ultraschall Spektroskopie bedeutet.

Ultraschall Spektroskopie: Eine effiziente Lösung

Die Ultraschall Spektroskopie bietet daher eine innovative Alternative zur Partikelgrößenbestimmung in Echtzeit. Bei dieser Methode wird ein Material durch hochfrequente mechanische Wellen angeregt, deren Reaktion wiederum von den thermo-physikalischen Eigenschaften des Mediums abhängt. Darüber hinaus ist dieses Verfahren:

Nichtdestruktiv and nichtintrusiv
Für feste, flüssige und undurchsichtige Stoffe geeignet
Einfach in der Handhabung ohne manuelle Eingriffe
Über einen großen Frequenzbereich anwendbar

Die von ITS entwickelte U2S-Technologie erfasst durch Ultraschallmessungen die Partikelgröße, Verteilung und Konzentration in hochkonzentrierten Suspensionen und ist ein Beispiel für eine durchdachte Anwendung der Ultraschall Spektroskopie.

Ultraschall Spektroskopie, Akustische Spektroskopie

Einsatzmöglichkeiten der Ultraschall Spektroskopie

The U2S-System erlaubt die Bestimmung folgender Materialeigenschaften:

Dichte und Konzentration von gemischten Flüssigkeiten und Suspensionen
Rheologische Eigenschaften wie Fließverhalten und Deformation
Veränderungen der Materialzusammensetzung durch Partikelgrößenänderungen
Entspannungsphänomene in biologischen Materialien und weichen Feststoffen

Konzentrationsabhängigkeit von Titandioxid, Ultraschall Spektroskopie

Eine Beispielanwendung ist die Concentration dependence of titanium dioxide. Die Graphik zeigt Proben mit verschiedenen Konzentrationen (1 %, 3 %, 5 %, 10 %, 30 %, 50 %, 70 %). Die Ergebnisse zeigen, wie die Partikelgröße und Konzentration die Materialeigenschaften beeinflussen, was verdeutlicht, warum eine kontinuierliche Überwachung durch Ultraschall Spektroskopie notwendig ist.

Summary

Die Ultraschall Spektroskopie revolutioniert daher die Prozessüberwachung in der chemischen Industrie. Mit dieser Methode lassen sich zudem in Echtzeit Partikelgröße, Verteilung und Konzentration bestimmen – selbst in hochkonzentrierten Proben. Darüber hinaus reduziert dies die Fertigungszeit, verbessert die Produktqualität und minimiert Kosten. Schließlich bietet die U2S-Technologie eine zuverlässige, effiziente und vielseitige Lösung für die Anforderungen moderner Industrieprozesse.