Ультразвуковое диспергирование и приготовление суспензий

Получение материалов сверхтонкой дисперсности (состоящих из частичек размером в несколько микрометров и меньше) имеет важное значение, так как от степени измельчения зависят многие характеристики материалов. Существует множество способов измельчения твердых веществ (измельчение сухих порошков, измельчение в жидкой среде с помощью шаровых. струйных и вибрационных мельниц). Однако все они измельчают твердые вещества до размеров не менее 100 мкм и только ультразвуковое диспергирование обеспечивает получение материалов сверхтонкой дисперсности (1 мкм и менее).

В медицине сверхтонкое диспергирование позволяет получать лекарственные препараты, обладающие повышенной физиологической доступностью (усвояемостью) и высокой терапевтической эффективностью. Кроме того, лекарственная форма со сверхтонко диспергированным лекарственным веществом более стабильна при длительном хранении и точнее дозируется.

В пищевой промышленности и домашнем хозяйстве очень тонко и равномерно измельченные в пюре овощи легче усваиваются, обладают хорошими вкусовыми качествами и рекомендуются для больных, которым прописана строгая диета.

В металлургической промышленности введение в металл мелкодисперсной упрочняющей фазы (например, введение в свинец 3-5% упрочняющей окиси свинца или в медь двуокиси циркония) повышает твердость сплава с среднем на 30%.

В радиоэлектронной промышленности сверхтонкое диспергирование люминофоров для производства телевизионных кинескопов позволяет повысить качество изображения и увеличить светоотдачу.

Проведенные исследования позволили установить, что ультразвуковое диспергирование (измельчение) происходит за счет кавитации и взаимного трения быстродвижущихся и соударяющихся частиц в две фазы. В первой фазе (протекающей в течении нескольких десятков секунд) измельчение происходит благодаря наличию в исходных частицах большого количества микротрещин и поэтому трение частиц о жидкость и их взаимные соударения играют определяющую роль. Во второй фазе измельчение происходит за счет кавитационных ударных волн, формирующих в частицах новые микротрещины.

Скорость ультразвукового диспергирования зависит от твердости материала, от хрупкости и спаянности для материалов и от правильности формы разрушаемых кристаллов.

Оптимальной для ультразвукового диспергирования является температура 40 - 60 градусов. При превышении указанной температуры скорость измельчения падает.

Для каждого вещества существует оптимальное время ультразвукового диспергирования, обеспечивающее получение частиц минимального размера. Длительная обработка может приводить к слипанию частиц и образованию грубодисперсных суспензий. Диспергирование используется для приготовления суспензий, представляющих собой сверхтонкие дисперсии твердых веществ, распределенные в дисперсной среде - жидкости (вода, спирт, масла и другие жидкости).

Рассмотрим далее методические особенности диспергирования и приготовления суспензий различного назначения.

Приготовление лекарственных суспензий. Как было отмечено выше, любая лекарственная суспензия должна характеризоваться физиологической доступностью, терапевтической эффективностью и высокой стабильностью. Ради этого приготавливают суспензии - жидкие лекарственные формы, в которых тонкие дисперсии твердых частиц лекарственного препарата размером около 1 мкм равномерно распределены в жидкостях.

Биологические исследования показывают, что величина дисперсности частиц трудно растворимых лекарств определяет не только скорость и полноту их всасывания в организм, но и время пребывания (действия) в организме. Введенная в организм суспензия (например, норсульфазола), приготовленная с помощью ультразвука (размер частиц 3 - 10 мкм) быстрее всасывается в кровь, чем контрольная (размер частиц 45 - 120 мкм).

В первом случае максимальная концентрация норсульфазола в крови отмечалась через 1 - 2 часа, во втором - через 4 - 4,5 часа.

Поэтому, применение ультразвукового диспергирования лекарственных препаратов с помощью электронного фитомиксера "АЛЁНА" является очень эффективным и перспективным методом приготовления лекарственных суспензий.

С помощью фитомиксера несложно приготовить устойчивые суспензии гидрофильных (смачиваемых жидкостями) веществ, которые равномерно распределяются в растворителях, долгое время находятся во взвешенном состоянии и после продолжительного хранения при взбалтывании образуют равномерную взвесь.

Однако, многие вещества обладают гидрофобными свойствами. В такие суспензии необходимо вводить стабилизаторы, например поливиниловый спирт (2%) или желатин (1%). В присутствии стабилизатора можно получать устойчивые водные суспензии для внутреннего потребления, содержащие различные лекарственные вещества: стрептоцид, норсульфазол, синтомицин, а также водно-глицериновые суспензионные линименты, содержащие серу, окись цинка, нитрат висмута основной, тальк, антибиотики и др.

С помощью фитомиксера получаются диспергированный уголь, концентрированные суспензии серы, фенилсолицилата, пентоксила, цинка, ртути, благородных металлов.

Все полученные с помощью ультразвука лекарственные суспензии являются практически стерильными. Однако, если приготовленная суспензия предназначена для многократного применения, в нее рекомендуется вводить консерванты. Наиболее универсальным консервантом является сорбиновая кислота.

При приготовлении лекарственных суспензий с помощью фитомиксера необходимо соблюдать следующие правила.

1. Для ускорения процесса диспергирования твердого вещества в жидкости необходимо предварительное механическое измельчение лекарственного препарата (например, растиранием между двумя металлическими деталями).

2. Для приема лекарственного препарата в виде водной суспензии диспергируйте необходимое вам лекарственное вещество (например, таблетированное) в удобном для приема количестве воды (100 - 200 мл).

3. Время обработки предварительно измельченного препарата в фитомиксере составляет 2 - 5 минут. Оптимальная температура суспензии 40 - 60 градусов.

4. Приготовление суспензий для многократного использования производите в стакане фитомиксера. После приготовления слейте приготовленную суспензию в стеклянную посуду и храните при низкой температуре.

5. Приготовление лекарственных суспензий для однократного применения рекомендуется осуществлять в чистой стеклянной посуде (стакане, чашке и т.п.) и употреблять сразу по готовности.

6. При приготовлении небольших количеств мазей (например, стрептоцидовой, тетрациклиновой и др.) в водно-глицериновой смеси или чистом глицерине рекомендуется использовать неглубокую стеклянную посуду (50 - 100 мл). Залив в нее глицерин и поместив в него предварительно измельченный лекарственный препарат, погрузите в суспензию рабочий инструмент ультразвуковой колебательной системы и произведите диспергирование течении 1 - 3 минут. При обработке не допускайте повышения температуры суспензии выше 80 - 100 градусов.

С помощью фитомиксера в домашних условиях можно приготовить лечебные и косметические маски путем диспергирования твердых веществ, измельченных плодов, ягод и листьев в водных и масляных средах.

Следует отметить еще одно применение суспензий в лечебной практике. Для сложных радиографических исследований необходимо очень тонкое измельчение рентгеноконтрастных веществ (сульфита бария, сурика, углекислого свинца, сульфата цинка и др.). Полученные с помощью ультразвука суспензии имеют размер частиц до 0,1...0,3 мкм, что позволяет им проникать в любые органы человеческого тела, вплоть до капилляров (сосудистая сеть имеет просвет сосудов до 7 - 10 мкм).

Получение и применение суспензий в промышленности. В подразделе приводятся несколько характерных примеров, показывающих возможности ультразвукового диспергирования для приготовления мелкодисперсных суспензий, применяемых в промышленном производстве и лабораторной практике.

1. При приготовлении эмалевых красок и грунтов важное значение имеет дисперсность используемого пигмента. Чем мельче частицы используемого органического или неорганического пигмента, тем выше качество приготавливаемой краски. УЗ диспергирование обеспечивает получение пигментов с размером частиц менее 1 мкм (исходные пигменты имеют размер частиц более 100 мкм). Диспергирование пигментов можно производить с помощью фитомиксера "АЛЁНА" в стакане фитомиксера. Время диспергирования в 200-300 мл воды пигмента при концентрации 10-70 г/л составляет 20-30 мин.

2. В промышленных и лабораторных условиях с помощью ультразвука очень эффективно диспергируются минералы, металлы, карбонатные соли, гипс и др.

3. Измельчение материалов (например, ферритов, керамик и пьезоматериалов и т.п.) позволяет снизить давления прессования, температуры спекания и повысить однородность структуры материалов при достижении плотности до 98% по отношению к кристаллографической.

4. Введение в никелевую основу (порошок карбонильного никеля с размером частиц 2-3 мкм) высокодисперсных окислов (гафния, иттрия, циркония и титана), диспергированных ультразвуком, повышает твердость и предел прочности сплавов. Диспергирование окислов производится в воде или гидролизном спирте при соотношении фаз 1:2,5 и времени обработки 20-40 мин.

5. Износостойкость узлов машин и механизмов повышается с применением твердых смазок в качестве присадок к консистентным смазкам. Для получения твердых смазок используются высокодисперсные материалы слоистой структуры: дисульфид молибдена, графит, диселенид, нитрид бора и др. Диспергирование твердых смазок производится в воде с добавлением 1% поверхностно-активного вещества (например, синтетического моющего средства) в течение 30-40 мин.

6. Использование ультразвука эффективно в процессах избирательного измельчения и обогащения синтетических алмазов.

7. Приготовление высокодисперсных окиси алюминия и магния для изготовления электроизоляционных прокладок уменьшенной толщины при одновременном сохранении качества изоляции.

Заключение

В настоящее время ультразвуковой метод нашел широкое диагностическое применение и стал неотъемлемой частью клинического обследования больных. По абсолютному числу ультразвуковые исследования в плотную приблизились к рентгенологическим.

Одновременно существенно расширились и границы использования эхографии.

Во-первых, она стала применятся для исследования тех объектов, которые ранее считались недоступными для ультразвуковой оценки (легкие, желудок, кишечник, скелет), так что в настоящее время практически все органы и анатомические структуры могут быть изучены сонографически.

Во-вторых, в практику вошли интракорпоральные исследования, осуществляемые введением специальных микродатчиков в различные полости организма через естественные отверстия, пункционным путем в сосуды и сердце либо через операционные раны. Этим было достигнуто значительное повышение точности ультразвуковой диагностики.

В-третьих, появились новые направления использования ультрозвукового метода. Наряду с обычными плановыми исследованиями, он широко применяется для целей неотложной диагностики, мониторинга, скрининга, для контроля за выполнением диагностических и лечебных пункций.

Ультразвук и ультразвуковые технологии с точки зрения охраны окружающей среды и рационального природопользования, в соответствии с вышеназванными теоретическими и эмпирическими законами, правилами, требованиями, а также с нормативными актами России при определенных обстоятельствах и в различных сферах использования могут рассматриваться, во-первых, как составляющая потоков информации в естественных природных системах. Во-вторых, как потенциальная опасность, связанная с возможностью разрушающих воздействий на живые организмы. В-третьих, ультразвук - может быть нейтральным к природным составляющим экосистем.

Степень "опасности" ультразвука определяется техническим приложением или качеством проектирования технологического процесса его использования.

Описанные в настоящей работе малогабаритные, маломощные, многофункциональные генераторы ультразвуковых колебаний, приборы, системы и технологические процессы на их основе экологически безопасны, экономически эффективны, обеспечивают сокращение потребления энергетических и сырьевых ресурсов при выпуске одинаковых объемов продукции в сравнении с традиционными технологиями, т.е. обеспечивают актуальное в настоящее время (в условиях надвигающегося экологического кризиса) требование - рациональное природопользование.

Список использованной литературы

1. Хилл К. – «Применение ультразвука в медицине» - 1989г.

2. Ремизов А.Н. – «Медицинская и биологическая физика» – 1987г

3. Крылов Н.П. и Рокитянский В.И. – «Ультразвук и его применение» - 1958г

4. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2001 (2 CD-ROM).

5. Джанколи Д. Физика: В 2-х т. Т. 1: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. – 656 с., ил.

6. Енохович А. С. Краткий справочник по физике. – 2-е изд., перераб и доп. – М.: Высшая школа, 1976. – 288с., ил.

7. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. – 496 с., ил.

8. Щербинский В.Г. Алёшин Н.П. Ультразвуковой контроль сварных соединений. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1989.

9. Матвеев А.С. Ультразвуковые приборы ЦНИИТМАШ Москва 1958.

10. Кривенков С.В., Зайцев Ю.В., Протасов В.Н., Кузьменков П.Г. Выявление скрытых дефектов деталей методом ультразвуковой дефектоскопии, 1999

11. И.П. Голямина. Ультразвук. – М.: Советская энциклопедия, 1979.

12. И.Г. Хорбенко. В мире неслышимых звуков. – М.: Машиностроение, 1971.

13. В.П. Северденко, В.В. Клубович. Применение ультразвука в промышленности. – Минск: Наука и техника, 1967.

14. Клиническое руководство по ультразвуковой диагностике. Том 1 //под ред. Митькова В.В. - М.: Видар, 1996

15. Сойфер В.А. Компьютерная обработка изображений. Часть 1. Математические модели // Соросовский образовательный журнал, 1996, №2

16. Сойфер В.А. Компьютерная обработка изображений. Часть 2. Методы и алгоритмы // Соросовский образовательный журнал, 1996, №3

17. Ультразвуковая диагностика: ежекварт. науч.-практ. журн. – М., 1994, №3

18. Ультразвуковая и функциональная диагностика: ежекварт. науч.-практ. журн. – М., 1995, №4

19. Дергачев А.И. Ультразвуковая диагностика заболеваний внутренних органов. – М.,1995

20. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: научная монография/ Алт. гос. Техн. Ун-т. им. И.И. Ползунова. - Барнаул: изд. АлтГТУ, 1997. - 160 с.

21. Стретт Дж. В. (лорд Рэлей), "Теория звука", пер. с англ., 2 изд., М., Лихачoff 1955;

22. Красильников В. А., "Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах", 3 изд., М., 1960.

23. Скучик Е., "Основы акустики", пер. с нем., т. 1 - 2, М., 1958 - 59;

24. Бергман Л., "Ультразвук", пер. с нем., М., 1956;

25. Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., "Основы молекулярной акустики", М., 1964;

26. Байер В., Дернер Э., "Ультразвук в биологии и медицине", пер. с нем., Л., 1958;