تشتيت موثوق للجسيمات النانوية للتطبيقات الصناعية

يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة تفكيك تكتلات الجسيمات بكفاءة وموثوقية، بل وحتى تفتيت الجسيمات الأولية. وبفضل أدائها العالي في التشتيت، تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات المسبار بوصفها الطريقة المفضلة لإنتاج معلقات متجانسة من الجسيمات النانوية.

تشتيت موثوق للجسيمات النانوية بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية

تتطلب العديد من الصناعات تحضير معلقات محمّلة بالجسيمات النانوية. والجسيمات النانوية مواد صلبة ذات حجم جسيمات أقل من 100nm. وبسبب صغر حجمها البالغ، تُظهر الجسيمات النانوية خصائص فريدة، مثل المتانة الاستثنائية، والصلادة، والخصائص البصرية، والمطيلية، ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية، والموصلية، والخصائص الكهربائية والكهرومغناطيسية (EM)، ومقاومة التآكل، ومقاومة الخدش، وغيرها من الخصائص الاستثنائية.
تُولِّد الموجات فوق الصوتية عالية الشدة ومنخفضة التردد تجويفًا صوتيًا شديدًا يتميز بظروف قصوى، مثل قوى القص، والفروق الهائلة في الضغط ودرجة الحرارة، والاضطرابات. وتُسرِّع قوى التجويف هذه الجسيمات، مما يؤدي إلى تصادمات بين الجسيمات، ومن ثم تحطيمها. ونتيجة لذلك، تُنتَج مواد ذات بنية نانوية تتميز بمنحنى ضيق لتوزيع أحجام الجسيمات وتوزيع منتظم.
تُناسب معدات التشتيت بالموجات فوق الصوتية معالجة أي نوع من المواد النانوية في الماء والمذيبات العضوية، بلزوجات تتراوح من المنخفضة إلى العالية جدًا.

تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية بالموجات فوق الصوتية

تُستخدم أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع لتشتيت الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs). وتُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة موثوقة لفك تشابك الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWCNTs) وتشتيتها، وكذلك الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران (MWCNTs). فعلى سبيل المثال، لإنتاج بوليمر لدن حراري عالي الموصلية، جرى تشتيت Nanocyl® 3100 عالي النقاوة (> 95%) (MWCNTs؛ القطر الخارجي 9.5 nm؛ النقاوة 95 +%) بالموجات فوق الصوتية باستخدام Hielscher UP200S لمدة 30min. في درجة حرارة الغرفة. وأظهرت أنابيب Nanocyl® 3100 MWCNTs المشتتة بالموجات فوق الصوتية بتركيز 1% w/w في راتنج الإيبوكسي موصلية فائقة بلغت نحو 1.5 × 10-2 S /m.

تشتيت جسيمات النيكل النانوية بالموجات فوق الصوتية

يمكن إنتاج جسيمات النيكل النانوية بنجاح عن طريق التخليق بالاختزال بالهيدرازين بمساعدة الموجات فوق الصوتية. ويتيح مسار التخليق بالاختزال بالهيدرازين تحضير جسيمات نانوية كروية الشكل من النيكل الفلزي النقي، عن طريق الاختزال الكيميائي لكلوريد النيكل بالهيدرازين. وقد أظهرت مجموعة Adám البحثية أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية – باستخدام Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – استطاعت الحفاظ على متوسط حجم البلورات الأولية (7–8 nm) بصورة مستقلة عن درجة الحرارة المطبقة، بينما أمكن باستخدام فترات أقصر وأشد من المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقليل الأقطار الديناميكية المذيبية للجسيمات الثانوية المتجمعة من 710 nm إلى 190 nm، في غياب أي مادة خافضة للتوتر السطحي. وسُجِّلت أعلى حموضة وأعلى نشاط تحفيزي للجسيمات النانوية المحضرة بمعالجة لطيفة (قدرة خرج 30 W) ومستمرة بالموجات فوق الصوتية. واختُبر السلوك التحفيزي للجسيمات النانوية في تفاعل الاقتران المتبادل Suzuki-Miyaura باستخدام خمس عينات محضرة بالطرق التقليدية وبالموجات فوق الصوتية. وقدمت المحفزات المحضرة بالموجات فوق الصوتية عادةً أداءً أفضل، وسُجِّل أعلى نشاط تحفيزي للجسيمات النانوية المحضرة بمعالجة مستمرة بالموجات فوق الصوتية منخفضة القدرة (30 W).
كان للمعالجة بالموجات فوق الصوتية تأثيرات حاسمة في ميل الجسيمات النانوية إلى التجمع: إذ أمكن لتأثير إزالة التجزؤ الناتج عن تجاويف التجويف المدمرة، مع انتقال الكتلة الشديد، التغلب على التجاذب الكهروستاتيكي لتجاويف التجويف المدمرة، مع انتقال الكتلة الشديد، التغلب على قوى التجاذب الكهروستاتيكي وقوى فان دير فالس بين الجسيمات.
(راجع Adám وآخرين، 2020)

تخليق جسيمات الولاستونيت النانوية بالموجات فوق الصوتية

الولاستونيت معدن من إينوسيليكات الكالسيوم، صيغته الكيميائية CaSiO3. ويُستخدم الولاستونيت على نطاق واسع بوصفه مكونًا في إنتاج الأسمنت والزجاج والطوب والبلاط في قطاع البناء، وبوصفه مادة صهارة في صب الفولاذ، وكذلك مادة مضافة في تصنيع الطلاءات والدهانات. فعلى سبيل المثال، يوفر الولاستونيت التقوية، والتصلب، وانخفاض امتصاص الزيت، وغير ذلك من التحسينات. وللحصول على خصائص تقوية ممتازة للولاستونيت، يُعد تفكيك التكتلات على المقياس النانوي والتشتيت المنتظم أمرين أساسيين.
أظهر Dordane وDoroodmand (2021) في دراساتهما أن التشتيت بالموجات فوق الصوتية عامل بالغ الأهمية يؤثر بدرجة كبيرة في حجم جسيمات الولاستونيت النانوية ومورفولوجيتها. ولتقييم مساهمة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في التشتيت النانوي للولاستونيت، خلَّق الفريق البحثي جسيمات الولاستونيت النانوية مع تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة وبدونه. واستخدم الباحثون في تجارب المعالجة بالموجات فوق الصوتية المعالج بالموجات فوق الصوتية UP200H (Hielscher Ultrasonics) بتردد 24 kHz لمدة 45.0 min. وتُعرض نتائج التشتيت النانوي بالموجات فوق الصوتية في صورة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) عالية الدقة أدناه. وتُظهر صورة SEM بوضوح أن عينة الولاستونيت قبل المعالجة بالموجات فوق الصوتية كانت متكتلة ومتجمعة؛ وبعد المعالجة باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP200H، بلغ متوسط حجم جسيمات الولاستونيت نحو 10nm. وتوضح الدراسة أن التشتيت بالموجات فوق الصوتية تقنية موثوقة وفعالة لتخليق جسيمات الولاستونيت النانوية. ويمكن التحكم في متوسط حجم الجسيمات النانوية بضبط معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
(راجع Dordane وDoroodmand، 2021)

صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لجسيمات الولاستونيت النانوية (A) قبل المعالجة بالموجات فوق الصوتية و(B) بعدها باستخدام المعالج بالموجات فوق الصوتية UP200H لمدة 45.0 min.
الدراسة والصورة: ©Dordane وDoroodmand، 2021.

تشتيت الحشوات النانوية بالموجات فوق الصوتية

المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة متعددة الاستخدامات لتشتيت الحشوات النانوية وتفكيك تكتلاتها في السوائل والمعلقات الكثيفة، مثل البوليمرات وراتنجات الإيبوكسي والمصلّبات واللدائن الحرارية وغيرها. ولذلك، تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع بوصفها طريقة تشتيت عالية الكفاءة في البحث والتطوير والإنتاج الصناعي.
درس Zanghellini وآخرون (2021) تقنية التشتيت بالموجات فوق الصوتية للحشوات النانوية في راتنج الإيبوكسي. وقد أظهر أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية استطاعت تشتيت تراكيز منخفضة وعالية من الحشوات النانوية داخل مصفوفة بوليمرية.
عند مقارنة تركيبات مختلفة، أظهرت الأنابيب النانوية الكربونية المؤكسدة (CNT) بنسبة 0.5 wt% أفضل النتائج بين جميع العينات المعالجة بالموجات فوق الصوتية، حيث أظهرت توزيعات أحجام معظم التكتلات ضمن نطاق مماثل للعينات المنتجة باستخدام مطحنة ثلاثية الأسطوانات، وارتباطًا جيدًا بالمصلّب، وتكوّن شبكة ترابط ممتدة داخل الوسط المشتت، مما يشير إلى الثبات ضد الترسيب، وبالتالي إلى ثبات مناسب على المدى الطويل. وأظهرت الكميات الأعلى من الحشوات نتائج جيدة مماثلة، مع تكوّن شبكات داخلية أكثر وضوحًا وتكتلات أكبر إلى حد ما. وحتى الألياف النانوية الكربونية (CNF) أمكن تشتيتها بنجاح بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية. وقد تحقق بنجاح التشتيت المباشر بالموجات فوق الصوتية (US) للحشوات النانوية في أنظمة المصلّبات دون مذيبات إضافية، ولذلك يمكن اعتباره طريقة قابلة للتطبيق لتشتيت بسيط ومباشر، مع إمكانية الاستخدام الصناعي. (راجع Zanghellini وآخرين، 2021)
 

مقارنة حشوات نانوية مختلفة مشتتة في مصلّب (المعالجة بالموجات فوق الصوتية–US): (a) ألياف نانوية كربونية (CNF) بنسبة 0.5 wt%؛ (b) CNToxi بنسبة 0.5 wt%؛ (c) أنابيب نانوية كربونية (CNT) بنسبة 0.5 wt%؛ (d) CNT مشتتة جزئيًا بنسبة 0.5 wt%.
(الدراسة والصورة: © Zanghellini وآخرون، 2021)

تشتيت الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية – تفوق مثبت علميًا

تُظهر الأبحاث في العديد من الدراسات المتقدمة أن التشتيت بالموجات فوق الصوتية من التقنيات المتفوقة لتفكيك تكتلات الجسيمات النانوية وتوزيعها، حتى عند وجودها بتراكيز عالية في السوائل. فعلى سبيل المثال، درس Vikash (2020) تشتيت كميات تحميل عالية من السيليكا النانوية في سوائل لزجة باستخدام جهاز التشتيت بالموجات فوق الصوتية Hielscher UP400S. وخلص في دراسته إلى أنه «يمكن تحقيق تشتيت ثابت ومنتظم للجسيمات النانوية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية عند تحميل عالٍ للمواد الصلبة في السوائل اللزجة». [Vikash, 2020]

معالجات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية لتشتيت الجسيمات النانوية

Hielscher Ultrasonics هي موردكم الموثوق لمعدات الموجات فوق الصوتية عالية الأداء والموثوقية، من الأنظمة المختبرية والتجريبية إلى الأنظمة الصناعية الكاملة. وتتميز أجهزة Hielscher Ultrasonics بمكونات مادية متطورة وبرمجيات ذكية وسهولة استخدام فائقة – وهي مصممة ومصنعة في ألمانيا. ويمكن تشغيل أجهزة Hielscher المتينة العاملة بالموجات فوق الصوتية للتشتيت وتفكيك التكتلات وتخليق الجسيمات النانوية وإضفاء الوظائف عليها، على مدار 24/7/365 تحت الحمل الكامل. وبحسب عمليتكم ومنشأة الإنتاج لديكم، يمكن تشغيل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا بنمط الدفعات أو بالنمط المستمر ضمن خط المعالجة. وتتوفر بسهولة ملحقات متنوعة، مثل السونوترودات (المسابير فوق الصوتية)، وأبواق تعزيز السعة، وخلايا التدفق، والمفاعلات.
اتصلوا بنا الآن للحصول على مزيد من المعلومات التقنية والدراسات العلمية والبروتوكولات وعرض أسعار لأنظمة التشتيت النانوي بالموجات فوق الصوتية لدينا! ويسعد موظفونا المدربون جيدًا وذوو الخبرة الطويلة مناقشة تطبيقكم النانوي معكم!

يقدم لكم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا: