تشتيت المواد النانوية (الجسيمات النانوية) بالموجات فوق الصوتية
أصبحت المواد النانوية مكوّنًا أساسيًا في منتجات متنوعة مثل المواد عالية الأداء، ومستحضرات الوقاية من الشمس، والطلاءات عالية الأداء، والمركّبات البلاستيكية. يُستخدم التجويف بالموجات فوق الصوتية لتشتيت الجسيمات ذات الحجم النانوي في السوائل، مثل الماء والزيت والمذيبات والراتنجات.
تشتيت الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية
إن تطبيق تشتيت الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية له تأثيرات متعددة. وأوضحها هو تشتيت المواد في السوائل لتفكيك تكتلات الجسيمات. وهناك عملية أخرى تتمثل في تطبيق الموجات فوق الصوتية أثناء تخليق الجسيمات أو ترسيبها. ويؤدي ذلك عمومًا إلى جسيمات أصغر وتجانس أكبر في أحجامها. التجويف بالموجات فوق الصوتية يحسّن أيضًا انتقال المادة عند أسطح الجسيمات. ويمكن استخدام هذا التأثير لتحسين التعديل الوظيفي لأسطح المواد ذات المساحة السطحية النوعية الكبيرة.
تشتيت المواد النانوية وتصغير حجمها
تميل المواد النانوية، مثل أكاسيد المعادن والطين النانوي أو الأنابيب النانوية الكربونية ، إلى التكتل عند خلطها بسائل. وتلزم وسائل فعالة لتفكيك التكتلات و التشتيت للتغلب على قوى الترابط بعد تبليل المسحوق. ويتيح تفكيك بُنى التكتلات بالموجات فوق الصوتية في المعلّقات المائية وغير المائية الاستفادة من الإمكانات الكاملة للمواد ذات الحجم النانوي. وقد أظهرت الدراسات على مشتتات مختلفة لتكتلات الجسيمات النانوية ذات محتوى متغير من المواد الصلبة الميزة الكبيرة للموجات فوق الصوتية مقارنةً بتقنيات أخرى، مثل خلاطات الدوّار والعضو الثابت (مثل ultra turrax)، أو المجانسات المكبسية، أو طرق الطحن الرطب، مثل مطاحن الخرز أو المطاحن الغروية. ويمكن تشغيل أنظمة Hielscher للموجات فوق الصوتية عند تراكيز مرتفعة نسبيًا من المواد الصلبة. فعلى سبيل المثال، بالنسبة إلى السيليكا ، وُجد أن معدل التكسير مستقل عن تركيز المواد الصلبة حتى 50% بالوزن. ويمكن تطبيق الموجات فوق الصوتية لتشتيت الخلطات الأم عالية التركيز – مع معالجة السوائل منخفضة اللزوجة وعالية اللزوجة. وهذا يجعل الموجات فوق الصوتية حلًا جيدًا لمعالجة الدهانات والطلاءات القائمة على أوساط مختلفة، مثل الماء أو الراتنج أو الزيت.
مجانس بالموجات فوق الصوتية UP400St لتحضير المشتتات النانوية
التجويف بالموجات فوق الصوتية
ينتج التشتيت وتفكيك التكتلات بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية عن التجويف بالموجات فوق الصوتية. وعند تعريض السوائل للموجات فوق الصوتية، تؤدي الموجات الصوتية التي تنتشر داخل السائل إلى دورات متناوبة من الضغط المرتفع والضغط المنخفض. وهذا يفرض إجهادًا ميكانيكيًا على قوى التجاذب بين الجسيمات المنفردة. التجويف بالموجات فوق الصوتية في السوائل يولّد نفاثات سائلة عالية السرعة تصل إلى 1000km/hr (نحو 600mph). وتدفع هذه النفاثات السائل بضغط مرتفع بين الجسيمات وتفصلها بعضها عن بعض. وتتسارع الجسيمات الأصغر مع النفاثات السائلة وتتصادم بسرعات عالية. وهذا يجعل الموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة للتشتيت وكذلك لطحن الجسيمات ذات الأحجام الميكرونية ودون الميكرونية.
تخليق الجسيمات / ترسيبها بمساعدة الموجات فوق الصوتية
يمكن إنتاج الجسيمات النانوية من الأسفل إلى الأعلى عن طريق التخليق أو الترسيب. وتُعد الكيمياء الصوتية من أقدم التقنيات المستخدمة لتحضير المركّبات ذات الحجم النانوي. وفي عمله الأصلي، عالج Suslick بالموجات فوق الصوتية Fe(CO)5 إما كسائل نقي أو في محلول deaclin، وحصل على جسيمات نانوية من الحديد غير المتبلور بحجم 10–20nm. وعمومًا، يبدأ المزيج فوق المشبع في تكوين جسيمات صلبة من مادة عالية التركيز. وتحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية خلط المواد الأولية وتزيد انتقال الكتلة عند سطح الجسيمات. ويؤدي ذلك إلى حجم جسيمات أصغر وتجانس أكبر.
UIP2000hdT، جهاز معالجة قوي بالموجات فوق الصوتية بقدرة 2kW لتشتيت SWCNTs.
التعديل الوظيفي للأسطح باستخدام الموجات فوق الصوتية
تتطلب العديد من المواد النانوية، مثل أكاسيد المعادن و حبر الطباعة النافثة للحبر وأصباغ مسحوق الحبر، أو مواد الحشو المستخدمة في الطلاءات عالية الأداء، تعديلًا وظيفيًا للأسطح. ولإجراء التعديل الوظيفي على كامل سطح كل جسيم منفرد، تلزم طريقة تشتيت جيدة. وعند تشتيت الجسيمات، تكون عادةً محاطة بطبقة حدّية من الجزيئات المنجذبة إلى سطح الجسيم. ولكي تصل مجموعات وظيفية جديدة إلى سطح الجسيم، يجب تفكيك هذه الطبقة الحدّية أو إزالتها. ويمكن أن تصل سرعة النفاثات السائلة الناتجة عن التجويف بالموجات فوق الصوتية إلى 1000km/hr. ويساعد هذا الإجهاد على التغلب على قوى التجاذب وينقل الجزيئات الوظيفية إلى سطح الجسيم. وفي الكيمياء الصوتية، يُستخدم هذا التأثير لتحسين أداء المحفزات المشتتة.
المعالجة بالموجات فوق الصوتية قبل قياس حجم الجسيمات
تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية للعينات دقة قياس حجم الجسيمات أو شكلها. ويجمع SonoStep الجديد بين الموجات فوق الصوتية وتقليب العينات وضخها في تصميم مدمج. وهو سهل التشغيل ويمكن استخدامه لإيصال العينات المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى أجهزة التحليل، مثل محللات حجم الجسيمات. وتساعد المعالجة المكثفة بالموجات فوق الصوتية على تشتيت الجسيمات المتكتلة، مما يؤدي إلى نتائج أكثر اتساقًا.انقر هنا لقراءة المزيد!
المعالجة بالموجات فوق الصوتية على النطاق المختبري والإنتاجي
تتوفر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية وخلايا التدفق لتفكيك التكتلات والتشتيت على النطاق المختبري و الإنتاجي . ويمكن بسهولة تهيئة الأنظمة الصناعية للعمل ضمن خط المعالجة. وللبحث وتطوير العمليات، نوصي باستخدام UIP1000hd (1,000 واط).
تقدم Hielscher مجموعة واسعة من أجهزة الموجات فوق الصوتية وملحقاتها لتشتيت المواد النانوية بكفاءة، مثلًا في الدهانات والأحبار والطلاءات.
- أجهزة مختبرية مدمجة بقدرة تصل إلى 400 واط.
تُستخدم هذه الأجهزة أساسًا لتحضير العينات أو لإجراء دراسات الجدوى الأولية، وهي متاحة للإيجار. - 500 و 1,000 و 2,000 واط: أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بهذه القدرات، مثل مجموعة UIP1000hd المزودة بخلية تدفق ومقوّيات سعة وسونوترودات متنوعة ، يمكنها معالجة تيارات أكبر حجمًا.
تُستخدم أجهزة من هذا النوع لتحسين المعلمات (مثل السعة، وضغط التشغيل، ومعدل التدفق، وغيرها) على نطاق أجهزة سطح الطاولة أو الوحدات التجريبية. - أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرات 2kW, 4kW, 10kW و 16kW ، والمجموعات الأكبر التي تضم عدة وحدات من هذا النوع، يمكنها معالجة تيارات بأحجام إنتاجية على أي مستوى تقريبًا.
تتوفر أجهزة سطح الطاولة للإيجار بشروط جيدة لإجراء تجارب العمليات. ويمكن توسيع نطاق نتائج هذه التجارب خطيًا إلى المستوى الإنتاجي – مما يقلل المخاطر والتكاليف المرتبطة بتطوير العمليات. ويسرنا مساعدتك عبر الإنترنت أو عبر الهاتف أو شخصيًا. يمكنك العثور على عناويننا هنا، أو استخدام النموذج أدناه.
يبيّن الجدول أدناه قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
المواد النانوية – معلومات أساسية
المواد النانوية هي مواد يقل حجمها عن 100nm. ويتزايد إدخالها سريعًا في تركيبات الدهانات والأحبار والطلاءات. وتندرج المواد النانوية ضمن ثلاث فئات عامة: أكاسيد المعادن، والطين النانوي، و الأنابيب النانوية الكربونية. وتشمل الجسيمات النانوية لأكاسيد المعادن أكسيد الزنك وأكسيد التيتانيوم وأكسيد الحديد وأكسيد السيريوم وأكسيد الزركونيوم على المقياس النانوي، وكذلك المركّبات متعددة المعادن مثل أكسيد الإنديوم والقصدير والزركونيوم والتيتانيوم، وكذلك المركّبات متعددة المعادن مثل أكسيد الإنديوم والقصدير. وتؤثر هذه المادة الصغيرة في تخصصات عديدة، مثل الفيزياء و الكيمياء وعلم الأحياء. وفي الدهانات والطلاءات، تلبي المواد النانوية الاحتياجات الزخرفية (مثل اللون واللمعان)، وتؤدي أغراضًا وظيفية (مثل التوصيل الكهربائي وتعطيل الأحياء الدقيقة)، وتحسّن حماية الدهانات والطلاءات (مثل مقاومة الخدش والثبات تجاه الأشعة فوق البنفسجية). وعلى وجه الخصوص، تُستخدم أكاسيد المعادن ذات الحجم النانوي، مثل TiO2 وZnO أو الألومينا والسيريا و السيليكا ، والأصباغ ذات الحجم النانوي في تركيبات جديدة للدهانات والطلاءات.
عندما يُصغّر حجم المادة، تتغير خصائصها، مثل اللون والتفاعل مع مواد أخرى، كالتفاعلية الكيميائية. وينتج هذا التغير في الخصائص عن تغير الخصائص الإلكترونية. ومن خلال تصغير حجم الجسيمات، تزداد المساحة السطحية للمادة. وبفضل ذلك، يمكن لنسبة أكبر من الذرات أن تتفاعل مع مواد أخرى، مثل مصفوفة الراتنجات.
يُعد النشاط السطحي جانبًا أساسيًا للمواد النانوية. ويحجب التكتل والتجمع المساحة السطحية عن ملامسة المواد الأخرى. ولا تتيح الاستفادة من كامل الإمكانات المفيدة للمادة إلا الجسيمات المشتتة جيدًا أو المشتتة بصورة منفردة. ونتيجةً لذلك، يقلل التشتيت الجيد كمية المواد النانوية اللازمة لتحقيق التأثيرات نفسها. ولأن معظم المواد النانوية لا تزال مرتفعة التكلفة نسبيًا، فإن هذا الجانب بالغ الأهمية لتسويق تركيبات المنتجات التي تحتوي على مواد نانوية. وتُنتج اليوم مواد نانوية عديدة بعملية جافة. ونتيجةً لذلك، يجب خلط الجسيمات في تركيبات سائلة. وفي هذه المرحلة، تكوّن معظم الجسيمات النانوية تكتلات أثناء التبليل. وعلى وجه الخصوص، فإن الأنابيب النانوية الكربونية شديدة التماسك، مما يجعل تشتيتها في السوائل، مثل الماء والإيثانول والزيت والبوليمر أو راتنج الإيبوكسي، أمرًا صعبًا. وتعجز أجهزة المعالجة التقليدية، مثل خلاطات القص العالي أو خلاطات الدوّار والعضو الثابت، والمجانسات عالية الضغط، والمطاحن الغروية والقرصية، عن فصل الجسيمات النانوية إلى جسيمات منفردة. وعلى وجه الخصوص، بالنسبة إلى المادة الصغيرة التي يتراوح حجمها من عدة نانومترات إلى ميكرونين، يكون التجويف بالموجات فوق الصوتية فعالًا جدًا في تفكيك التكتلات والتجمعات وحتى الجسيمات الأولية. وعندما تُستخدم الموجات فوق الصوتية لطحن الدفعات عالية التركيز، تجعل تيارات النفاثات السائلة الناتجة عن التجويف بالموجات فوق الصوتية الجسيمات تتصادم بعضها مع بعض بسرعات تصل إلى 1000km/h. وهذا يفكك قوى فان دير فالس في التكتلات وحتى في الجسيمات الأولية.
تصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المختبري والتجريبي والصناعي.