Nanomaterialien mit Ultraschall behandeln

Nanomaterialien bilden einen wichtigen Bestandteil in vielen verschiedenartigen Produkten, wie z. B. in Sonnenschutzmitteln, Hochleistungsbeschichtungen oder Kunststoffverbundstoffen. Ultraschallkavitation wird genutzt, um nanoskalige Partikel in Flüssigkeiten wie Wasser, Öl, Lösungsmitteln oder Epoxydharzen zu dispergieren.

Der UP200S Ultraschallhomogenisator für das Dispergieren von Nanomaterialien

Die Anwendung von Ultraschall auf Nanomaterialien zeigt mannigfaltige Effekte. Das Dispergieren von Stoffen in Flüssigkeiten, um Partikelagglomerate zu zerstören, ist wohl die bedeutendste Ultraschallwirkung. Ein anderer wichtiger Prozess ist das Beschallen während der Partikelsynthese oder der Ausfällung. Dadurch werden eine Verringerung der Partikelgröße und eine Steigerung der Größenuniformität erreicht. Durch die Ultraschallkavitation verbessert sich zudem der Stoffaustausch an der Partikeloberfläche. Dieser Effekt kann dazu genutzt werden, um die Oberflächenfunktionalität der Materialien zu steigern, die eine hochspezifische Oberfläche aufweisen.

Das Dispergieren und die Größenreduktion von Nanomaterialien

Nanomaterialien, wie z. B. Metalloxide, Nanoclays oder Carbon Nanotubes weisen, sobald sie in eine Flüssigkeit gemischt werden, eine starke Neigung zum Agglomerieren auf. Daher ist eine effektive Methode zum Deagglomerieren und Dispergieren notwendig, welche die Bindungskräfte, die mit dem Nasswerden des Pulvers aktiviert werden, zu lösen. Das Aufbrechen der Agglomeratstrukturen (in wässrigen und nicht-wässrigen Lösungen) mittels Ultraschall ermöglicht es, das volle Potenzial der nanoskaligen Nanomaterialien auszuschöpfen. Untersuchungen verschiedener Lösungen nanopartikulärer Agglomerate mit unterschiedlichem Feststoffgehalt haben gezeigt, dass Ultraschall einen beachtlichen Vorteil gegenüber anderen Technologien, wie Schermischern (z. B. Ultraturrax) und Kolbenhomogenisatoren, oder Nassmahlanlagen, wie der Perlmühle und der Kolloidmühle, aufweisen. Die Hielscher Ultraschallsysteme laufen auch bei einer hohen Konzentration an Feststoffen. So ist beispielsweise bei Silica der Brechungsgrad der Feststoffkonzentration bis zu 50% der Gewichtskonzentration unabhängig. Ultraschall kann für das Dispergieren von hochkonzentrierten Masterbatches eingesetzt werden - und Flüssigkeiten mit sowohl niedriger als auch hoher Viskosität behandelt werden. Damit ist Ultraschall eine hervorragende Prozessmethode für die Herstellung von Farben und Lacken, die auf verschiedenen Media, wie Wasser, Lösungsmittel oder Öl basieren.

Klicken Sie hier, um mehr über das Dispergieren von Carbon-Nanotubes zu lesen.

Ultraschallkavitation

Die Effekte des Dispergierens und Deagglomerierens werden beim Einsatz von Ultraschall durch Kavitation erzeugt. Werden Flüssigkeiten Ultraschallausgesetzt, so verursachen die Schallwellen in der Flüssigkeit abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen. Dadurch entsteht mechanischer Druck auf die interpartikulären Anziehungskräfte. Die Ultraschallkavitation verursacht in Flüssigkeiten Flüssigkeitsstrahlen mit extrem hohen Geschwindigkeiten von bis zu 1000km/h (ca. 600mph). Diese Flüssigkeitsstrahlen pressen während des Hochdruckzyklus Flüssigkeit zwischen die Partikel und trennen diese somit voneinander. Daher stellt Ultraschall eine sehr effektive Methode für das Dispergieren dar, aber auch für das Mahlen von mikroskaligen und submikroskaligen Partikeln.

Die ultraschallunterstützte Partikelsynthese / Fällung

Nanopartikel können im Bottom-up-Verfahren durch Synthese oder Fällen aufgebaut werden. Die Sonochemie gehört zu einer der ersten Techniken, mit der nanoskalige Verbundstoffe hergestellt wurden. K. Suslick beschallte in einer seiner Studien Fe(CO)₅ entweder als unverdünnte Flüssigkeit oder als eine Deaklinlösung und erhielt 10-20nm große amorphe Eisenpartikel. Im Allgemeinen beginnt eine übersättigte Mischung Festpartikel aus dem hochkonzentrierten Material zu bilden. Ultraschall verbessert das Mischen des Precursors und steigert den Masseaustausch an der Partikeloberfläche. Dies führt schließlich zu einer geringeren Partikelgröße und einer höheren Uniformität. Klicken Sie hier, um mehr über das ultraschallgestützte Fällen von Nanomaterialien zu erfahren.

Das Funktionalisieren der Oberfläche mit Hilfe von Ultraschall

Bei zahlreichen Nanomaterialien, wie Metalloxiden, Inkjet-Tinte und Tonerpigmenten oder auch bei Füllstoffen in Hochleistungsbeschichtungen, ist eine Funktionalisierung der Oberfläche notwendig. Um die gesamte Oberfläche jedes einzelnen Partikels zu funktionalisieren, wird eine gute Dispersionsmethode benötigt. Sind die Partikel dispergiert, so sind sie für gewöhnlich von einer Grenzschicht aus Molekülen umgeben, die von den Partikeln angezogen werden. Um neue funktionale Gruppen auf der Partikeloberfläche herzustellen, muss die Grenzschicht aufgebrochen oder abgelöst werden. Die Flüssigkeitsstrahlen, die durch die Ultraschallkavitation erzeugt werden, können Geschwindigkeiten von bis zu 1000km/h erreichen. Der dabei entstehende Druck unterstützt das Aufheben der Bindungskräfte und transportiert funktionale Moleküle auf die Partikeloberfläche. In der Sonochemie wird dieser Effekt dazu verwendet, um die Leistung der dispergierten Katalysatoren zu steigern.

Beschallung und Partikelgrößenmessung

Das Beschallen von Proben verbessert die Genauigkeit Ihrer Partikelgrößen oder das Morphologiemaß. Der neue SonoStep kombiniert Ultraschall, Rühren und das Pumpen im kompakten Design eines einzigen Gerätes. Dieses ist einfach zu bedienen und kann dazu verwendet werden, um beschallte Proben an Analysegeräte, wie z. B. das Partikelgrößenmessgerät, weiterleiten. Die intensive Beschallung trägt dazu bei, die agglomerierten Partikel zu dispergieren und somit beständigere Ergebnisse zu erhalten. Wollen Sie mehr darüber erfahren, klicken Sie bitte hier!

Beschallen mit Ultraschall auf Labor- und Produktionsebene

Ultraschallprozessoren und Durchflusszellen für das Deagglomerieren und Dispergieren sind sowohl für das Labor als auch für Produktion erhältlich. Bestehende Produktionsanlagen können problemlos mit den Hielscher Industriesystemen aufgerüstet werden, indem die Ultraschelleinheiten in die vorhandene Anlage integriert werden. Für Forschung- und Entwicklungszwecke empfehlen wir den Einsatz des UIP1000hd (1.000 Watt).

Hielscher bietet eine Vielzahl an Ultraschallgeräten und Zubehör für das effiziente Dispergieren von Nanomaterialien, z. B. in Farben, Tinten oder Lacken.

Kompakte Laborgeräte mit bis zu 400 Watt Leistung
Diese Geräte werden hauptsächlich für die Probenvorbereitung oder für anfängliche Durchführbarkeitsstudien genutzt und können auch gemietet werden.
500, 1.000 und 2.000 Watt Ultraschallprozessoren wie beispielsweise das UIP1000hd Set mit Durchflusszelle und verschiedenen Boostern und Sonotroden können größere Volumenströme beschallen.
Geräte wie diese werden bei der Optimierung der Parameter (wie: Amplitude, Druck während des Prozesses, Durchflussrate, etc.) im Bench-top-Verfahren oder im Technikumsmaßstab eingesetzt.
Ultraschallprozessoren mit 2, 4, 10 und 16kW ebenso wie größere Cluster, bestehend aus mehreren dieser Einheiten, können Volumenströme für die Produktion in fast jeder Größenordnung beschallen.

Das Bench-top-Equipment bzw. die Ausrüstung für Versuche im Technikums-Maßstab können zu günstigen Konditionen gemietet werden, um Prozessversuche durchzuführen. Das Ergebnis solcher Versuche kann anschließend auf das Produktionslevel übertragen und dementsprechend vergrößert werden. Gerne beraten wir Sie online, telefonisch oder persönlich. Unsere Kontaktdaten finden Sie hier oder nutzen Sie einfach das unten stehende Formular.

Literatur

Aharon Gedanken (2004): Using sonochemistry for the fabrication of nanomaterials, Ultrasonic Sonochemistry Invited Contributions, 2004 Elsevier B.V.

Nanomaterialien - Hintergrundinformationen

Bei Nanomaterialien handelt es sich um Stoffe, deren Größe weniger als 100nm beträgt. Ihre Verwendung bei der Herstellung von Formulationen für Farben, Tinten und Beschichtungen steigt rapide an. Die Nanomaterialien lassen sich in folgende drei Kategorien unterteilen: Metalloxide, Nanoclays und Carbon-Nanotubes.

Zu den Metalloxid-Nanopartikeln zählt man nanoskaliges Zinkoxid, Titanoxid, Eisenoxid, Zeroxid und Zirconiumoxid, ebenso gemischte Metallverbindungen, wie Indiumzinnoxide, Zirconium und Titan. So winzig diese Stoffe auch sind, so spielen sie in zahlreichen wissenschaftlichen Disziplinen wie der Physik, der Chemie und der Biologie eine große Rolle. In Farben und Lacken erfüllen die Nanomaterialien dekorative Zwecke (z. B. Farbe und Glanz) und funktionale Aspekte (z. B. Leitfähigkeit, mikrobielle Inaktivierung), zudem verbessern sie die Schutzfunktion der Farben und Beschichtungen (z. B. Kratzbeständigkeit, UV-Stabilität). So finden spezielle nanoskalige Metalloxide, wie TiO2 und ZnO oder Aluminiumoxid, Ceria, Silica und nanoskalige Pigmente Verwendung bei der Herstellung neuartiger Farb- und Lackformulationen.

Wenn die Größe dieser Stoffe und Materialien verändert wird, verändern sich dadurch die Materialeigenschaften, wie z. B. die Farbe, die Interaktion mit anderen Stoffen und die chemische Reaktivität. Diese Veränderung der Eigenschaften wird durch eine Veränderung der elektronischen Eigenschaften hervorgerufen. Durch die Partikelgrößenreduktion wird die Oberfläche des Materials vergrößert. Aufgrund dessen kann ein höherer Prozentanteil der Atome mit anderen Stoffen interagieren, z. B. mit der Matrix von Epoxydharzen. Diese erhöhte Oberflächenaktivität ist die innovative Schlüsselfunktion, welche die Nanomaterialien für Forschung und Industrie so interessant macht. Durch Agglomeration und Aggregation werden die Partikeloberflächen blockiert, so dass die Partikel nicht mehr mit anderen Stoffen interagieren können. Daher ist es nur mit gut dispergierten oder einzeln dispergierten Partikeln möglich, das volle Potenzial dieser Materialien zu nutzen. Durch eine gute Dispersion sinkt infolgedessen auch die Menge an Nanomaterial, um denselben Effekt zu bewirken. Da die meisten Nanomaterialien ziemlich teuer sind, ist dieser Aspekt hinsichtlich der Vermarktung von Produktformulationen, die Nanomaterialien enthalten, wichtig und bedeutend.

Heutzutage werden Nanomaterialien in einem Trockenprozess hergestellt; daher müssen die Partikel für die Formulationen in Flüssigkeiten gemischt werden. Jedoch agglomerieren die meisten Nanopartikel, sobald sie nass werden. Vor allem Carbon-Nanotubes sind sehr kohäsiv, wodurch es schwierig ist, sie in Flüssigkeiten (z. B. in Wasser, Öl, Ethanol, Polymer oder Epoxydharzen) zu dispergieren. Konventionelle Geräte, wie beispielsweise Hochscher- oder Schermischer, Hochdruckhomogenisatoren oder Kolloid- und Scheibenmühlen scheitern daran, die Nanopartikel in einzelne Partikel zu trennen. Besonders für die kleinen Stoffe - mit der Größe von einigen Nanometern bis hin zu ein paar Mikrometern - zeigt sich Ultraschall als äußerst wirksame, effektive Methode, um die Agglomerate, die Aggregate und sogar Primärpartikel zu zerstören. Wird Ultraschall zum Mahlen von hochkonzentrierten Batches genutzt, kommt es durch die Flüssigkeitsstrahlen, die durch die Kavitation entstehen, zur Kollision der Partikel untereinander. Die Partikel prallen dabei mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000km/h aufeinander. Dadurch werden die van der Waals-Kräfte in den Agglomeraten und sogar in den Primärpartikeln gebrochen.