Ултразвуково диспергиране на наноматериали (наночастици)
Наноматериалите са се превърнали в неразделна съставна част на толкова разнообразни продукти като високоефективни материали, слънцезащитни продукти, покрития с подобрени експлоатационни свойства или пластмасови композити. Ултразвуковата кавитация се използва за диспергиране на частици с наноразмери в течности като вода, масло, разтворители или смоли.
Ултразвуково диспергиране на наночастици
Прилагането на ултразвуково диспергиране на наночастици има разнообразни ефекти. Най-очевидният е диспергирането на материали в течности с цел разрушаване на агломератите от частици. Друг процес е прилагането на ултразвук по време на синтез или утаяване на частици. Като цяло това води до по-малки частици и по-голяма еднородност на размерите. Ултразвуковата кавитация подобрява и масопреноса по повърхностите на частиците. Този ефект може да се използва за подобряване на повърхностната функционализация на материали с голяма специфична повърхност.
Диспергиране и намаляване на размера на наноматериали
Наноматериали като метални оксиди, наноглини или въглеродни нанотръби имат склонност да образуват агломерати при смесване с течност. Необходими са ефективни средства за деагломерация и диспергиране за преодоляване на свързващите сили след омокряне на праха. Ултразвуковото разрушаване на агломератните структури във водни и неводни суспензии позволява да се използва пълният потенциал на материалите с наноразмери. Изследванията на различни дисперсии на агломерати от наночастици с променливо съдържание на твърда фаза показват значителното предимство на ултразвука в сравнение с други технологии, като роторно-статорни смесители (напр. ultra turrax), бутални хомогенизатори или методи за мокро смилане, например мелници с микросфери или колоидни мелници. Ултразвуковите системи на Hielscher могат да работят при сравнително високи концентрации на твърда фаза. Например за силициевия диоксид е установено, че скоростта на раздробяване не зависи от концентрацията на твърда фаза до 50% по маса. Ултразвукът може да се прилага за диспергиране на висококонцентрирани мастербачи – чрез обработка на течности с нисък и висок вискозитет. Това прави ултразвука добро технологично решение за бои и покрития на основата на различни среди като вода, смола или масло.
Ултразвуков хомогенизатор UP400St за нанодисперсии
Ултразвукова кавитация
Диспергирането и деагломерацията чрез ултразвукова обработка са резултат от ултразвуковата кавитация. При излагане на течности на ултразвук звуковите вълни, които се разпространяват в течността, предизвикват редуващи се цикли на високо и ниско налягане. Това създава механично напрежение, което действа срещу силите на привличане между отделните частици. Ултразвуковата кавитация в течности предизвиква високоскоростни течни струи със скорости до 1000km/hr (прибл. 600mph). Тези струи вкарват течност под високо налягане между частиците и ги отделят една от друга. По-малките частици се ускоряват от течните струи и се сблъскват с високи скорости. Това прави ултразвука ефективно средство както за диспергиране, така и за смилане на частици с микронни и субмикронни размери.
Синтез / утаяване на частици с помощта на ултразвук
Наночастиците могат да се получават по подхода „отдолу нагоре“ чрез синтез или утаяване. Сонохимията е една от най-ранните техники, използвани за получаване на съединения с наноразмери. В първоначалната си работа Suslick обработва с ултразвук Fe(CO)5 като чиста течност или в разтвор на deaclin и получава аморфни железни наночастици с размер 10–20nm. Като цяло в преситена смес започват да се образуват твърди частици от материал с висока концентрация. Ултразвуковата обработка подобрява смесването на прекурсорите и увеличава масопреноса по повърхността на частиците. Това води до по-малък размер на частиците и по-голяма еднородност.
UIP2000hdT, мощен ултразвуков апарат с мощност 2kW за диспергиране на SWCNTs.
Повърхностна функционализация чрез ултразвук
Много наноматериали, като метални оксиди, пигменти за мастила за мастиленоструен печат и тонери или пълнители за покрития с подобрени експлоатационни свойства, изискват повърхностна функционализация. За да се функционализира цялата повърхност на всяка отделна частица, е необходим добър метод за диспергиране. При диспергиране частиците обикновено са заобиколени от граничен слой от молекули, привлечени към повърхността на частицата. За да достигнат нови функционални групи до повърхността на частицата, този граничен слой трябва да бъде разрушен или отстранен. Течните струи, възникващи вследствие на ултразвуковата кавитация, могат да достигнат скорости до 1000km/hr. Това напрежение спомага за преодоляване на силите на привличане и пренася функционалните молекули до повърхността на частицата. В сонохимията този ефект се използва за подобряване на ефективността на диспергираните катализатори.
Ултразвукова обработка преди измерване на размера на частиците
Ултразвуковата обработка на проби подобрява точността на измерването на размера или морфологията на частиците. Новият SonoStep съчетава ултразвук, разбъркване и изпомпване на проби в компактна конструкция. Той е лесен за работа и може да се използва за подаване на ултразвуково обработени проби към аналитични устройства, като анализатори на размера на частиците. Интензивната ултразвукова обработка спомага за диспергирането на агломерирани частици, което води до по-възпроизводими резултати.Щракнете тук, за да прочетете повече!
Ултразвукова обработка в лабораторен и производствен мащаб
Предлагат се ултразвукови процесори и проточни клетки за деагломерация и диспергиране за лабораторен и производствен мащаб. Промишлените системи могат лесно да бъдат преоборудвани за работа в поточна линия. За научни изследвания и разработване на процеси препоръчваме използването на UIP1000hd (1 000 вата).
Hielscher предлага широка гама от ултразвукови устройства и принадлежности за ефективно диспергиране на наноматериали, например в бои, мастила и покрития.
- Компактни лабораторни устройства с мощност до 400 вата.
Тези устройства се използват главно за подготовка на проби или първоначални проучвания за осъществимост и се предлагат под наем. - 500 и 1 000 и 2 000 вата мощност имат ултразвукови процесори като комплекта UIP1000hd с проточна клетка и различни усилватели на амплитудата и сонотроди и могат да обработват потоци с по-голям обем.
Такива устройства се използват за оптимизиране на параметрите (като амплитуда, работно налягане, дебит и др.) в мащаб на настолно оборудване или пилотна инсталация. - Ултразвукови процесори с мощност 2kW, 4kW, 10kW и 16kW и по-големи групи от няколко такива устройства могат да обработват производствени потоци с практически всякакъв обем.
Настолно оборудване се предлага под наем при изгодни условия за провеждане на технологични изпитвания. Резултатите от такива изпитвания могат да бъдат мащабирани линейно до производствено ниво – така се намаляват рискът и разходите, свързани с разработването на процеса. Ще се радваме да ви съдействаме онлайн, по телефона или лично. Можете да намерите нашите адреси тук или да използвате формуляра по-долу.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-голям | група от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Наноматериали – основна информация
Наноматериалите са материали с размер под 100nm. Те бързо навлизат във формулите на бои, мастила и покрития. Наноматериалите се разделят на три основни категории: метални оксиди, наноглини и въглеродни нанотръби. Наночастиците от метални оксиди включват цинков оксид, титанов оксид, железен оксид, цериев оксид и циркониев оксид с наноразмери, както и съединения на смесени метали като индиево-калаен оксид и цирконий и титан, както и съединения на смесени метали като индиево-калаен оксид. Тази материя с малки размери оказва влияние върху много дисциплини, като физика, химия и биология. В боите и покритията наноматериалите задоволяват декоративни потребности (напр. цвят и гланц), изпълняват функционални задачи (напр. проводимост, микробна инактивация) и подобряват защитните свойства (напр. устойчивост на надраскване, UV стабилност) на боите и покритията. По-специално метални оксиди с наноразмери, като TiO2 и ZnO или алуминиев оксид, цериев диоксид и силициев диоксид и пигменти с наноразмери намират приложение в нови формули на бои и покрития.
Когато размерът на материята се намали, се променят нейните характеристики, като цвят и взаимодействие с друга материя, например химична реактивност. Промяната в характеристиките се дължи на промяната в електронните свойства. Чрез намаляване на размера на частиците се увеличава повърхностната площ на материала. Поради това по-голям процент от атомите могат да взаимодействат с друга материя, например с матрицата на смолите.
Повърхностната активност е ключов аспект на наноматериалите. Агломерацията и агрегацията възпрепятстват контакта на повърхностната площ с друга материя. Само добре диспергирани или поотделно диспергирани частици позволяват да се използва пълният полезен потенциал на материята. В резултат доброто диспергиране намалява количеството наноматериали, необходимо за постигане на същите ефекти. Тъй като повечето наноматериали все още са сравнително скъпи, този аспект има голямо значение за пазарната реализация на продуктови формули, съдържащи наноматериали. Днес много наноматериали се произвеждат чрез сух процес. В резултат частиците трябва да се смесят с течни състави. Именно при това повечето наночастици образуват агломерати по време на омокрянето. Особено въглеродните нанотръби имат много силна кохезия, което затруднява диспергирането им в течности като вода, етанол, масло, полимер или епоксидна смола. Конвенционалните устройства за обработка, например смесители с високо срязване или роторно-статорни смесители, хомогенизатори с високо налягане или колоидни и дискови мелници, не успяват да разделят достатъчно добре наночастиците на отделни частици. По-специално за материя с малки размери от няколко нанометра до няколко микрона ултразвуковата кавитация е много ефективна при разрушаване на агломерати, агрегати и дори първични частици. Когато ултразвукът се използва за смилане на висококонцентрирани партиди, течните струи, възникващи вследствие на ултразвуковата кавитация, карат частиците да се сблъскват една с друга със скорости до 1000km/h. Това разрушава силите на Ван дер Ваалс в агломератите и дори в първичните частици.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори за смесване, диспергиране, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.