Нанодиаманти, диспергирани във водна суспензия чрез ултразвукова обработка

Дисперсии на нанодиаманти могат да се приготвят бързо и ефективно с ултразвуковите апарати на Hielscher. Във водна суспензия ултразвуковата деагрегация осигурява надеждно разрушаване на агрегатите и образуване на стабилни колоиди. В съчетание с обикновено добавяне на сол за регулиране на pH методът предлага лесен, евтин подход без замърсяване. Благодарение на възможността за мащабиране и лесното си прилагане ултразвуковото диспергиране е изключително подходящо не само за лабораторни изследвания, но и за обработка на нанодиаманти в промишлен мащаб.

Ефективна деагрегация на нанодиаманти без замърсяване

Нанодиамантите намират все по-широко приложение в биомедицината, квантовите технологии, трибологията и високотехнологичните композити, но присъщата им склонност да образуват твърди агрегати често ограничава ефективността им. Затова получаването на стабилни колоиди от отделни частици е предпоставка за точно характеризиране и надеждно приложение. Конвенционалните методи за деагрегация често разчитат на интензивни техники на смилане, които внасят циркониев диоксид или други примеси, усложняват пречистването и ограничават употребата в биомедицината. Ултразвуковото диспергиране предлага бърза, мащабируема алтернатива без замърсяване. Чрез акустична кавитация във водна среда ултразвуковите апарати със сонда ефективно разрушават агрегатите до нанодиаманти с едноцифрен размер. В съчетание с лесно регулиране на pH с помощта на сол този метод осигурява стабилни колоиди в широк диапазон на pH, без да внася токсични странични продукти, което го прави изключително привлекателен както за лабораторни изследвания, така и за производство в промишлен мащаб.

Нанодиамантите могат да се диспергират ефективно и надеждно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

Как протичат ултразвуковото смилане и диспергиране на нанодиаманти?

Ултразвуковото диспергиране използва самите нанодиаманти като смилащи тела. Акустичната кавитация, генерирана от ултразвукови вълни с висока мощност, създава високоскоростни потоци в течността. Тези потоци ускоряват частиците (например диаманти) в суспензията, така че частиците се сблъскват със скорост до 280km/s и се раздробяват на миниатюрни частици с наноразмери. Това превръща ултразвуковото смилане и диспергиране в лесна, евтина техника без замърсяване, която надеждно деагломерира нанодиамантите до частици с наноразмери, стабилни във воден колоиден разтвор в широк диапазон на pH. Сол (натриев хлорид) се използва за стабилизиране на нанодиамантите във водна суспензия.

 

 
Научете повече за ултразвуковата деагрегация на нанодиаманти при подготовката на проби преди анализ!
 

Ултразвуковото смилане на нанодиаманти превъзхожда мелниците с микросфери

Ултразвуковите апарати със сонда са високоефективни мелници и представляват утвърдена техника за смилане при широкомащабното производство на суспензии на нанодиаманти в промишлен мащаб. Тъй като ултразвуковите мелници използват нанодиамантите като смилащи тела, замърсяването от смилащите тела, например от микросфери от циркониев диоксид, се избягва напълно. Вместо това ултразвуковите кавитационни сили ускоряват частиците, така че нанодиамантите се сблъскват силно помежду си и се раздробяват до еднакъв наноразмер. Тези предизвикани от ултразвука сблъсъци между частиците са високоефективен и надежден метод за производство на равномерно разпределени нанодисперсии.
Методът за ултразвуково диспергиране и деагрегация използва водоразтворими, нетоксични и незамърсяващи добавки, като натриев хлорид или захароза, за регулиране на pH и стабилизиране на ултразвуковата дисперсия. Тези кристални структури на натриевия хлорид или захарозата действат допълнително като смилащи тела и по този начин подпомагат процеса на ултразвуково смилане. След приключване на процеса на смилане тези добавки могат лесно да се отстранят чрез обикновено изплакване с вода, което е забележително предимство спрямо процес със смилащи керамични микросфери. Традиционното смилане с микросфери, например в атритори, използва неразтворими керамични смилащи тела (например топки, микросфери или перли), чиито остатъци от износване замърсяват крайната дисперсия. Отстраняването на замърсяването, причинено от смилащите тела, изисква сложна последваща обработка и е както времеемко, така и скъпо.

Технологията за ултразвуково диспергиране ефективно произвежда водни суспензии на нанодиаманти с тясно разпределение на размера на частиците.
(Изследване и графика: ©Turcheniuk et al., 2016)

Примерен протокол за ултразвуково диспергиране на нанодиаманти

Ултразвукова деагрегация на нанодиаманти във вода с помощта на сол:
Смес от 10 g натриев хлорид и 0,250 g нанодиамантен прах беше стрита за кратко на ръка с порцеланов хаван и чукало и поставена в стъклен флакон от 20 mL заедно с 5 mL дейонизирана вода. Подготвената проба беше обработена с ултразвуков апарат със сонда за 100 min при 60% изходна мощност и 50% работен цикъл. След ултразвуковата обработка пробата беше разделена поравно между две пластмасови центрофужни епруветки Falcon от 50 mL и диспергирана в дестилирана вода до общ обем 100 mL (2 × 50 mL). След това всяка проба беше центрофугирана с центрофуга Eppendorf 5810-R при 4000 rpm и 25°C за 10 min, а бистрият супернатант беше отстранен. След това влажните утайки от ND бяха повторно диспергирани в дестилирана вода (общ обем 100 mL) и центрофугирани втори път при 12 000 rpm и 25 °C за 1 h. Бистрият супернатант отново беше отстранен, а влажните нанодиамантени утайки бяха повторно диспергирани, този път в 5 mL дестилирана вода за характеризиране. Стандартен тест с AgNO3 показа пълно отсъствие на Cl⁻ в нанодиамантите, деагрегирани чрез ултразвукова обработка с помощта на сол и промити два пъти с дестилирана вода, както е описано по-горе. След изпаряване на водата от пробите беше наблюдавано образуване на черни твърди нанодиамантени „люспи“ с добив ∼200 mg или 80% от първоначалната маса на нанодиамантите. (вижте снимката по-долу)
(срв. Turcheniuk et al., 2016)

Изсушена проба от ултразвуково диспергирани нанодиаманти.
(Изследване и графика: ©Turcheniuk et al., 2016)

Високопроизводителни ултразвукови апарати за дисперсии на нанодиаманти

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява високопроизводително оборудване за ултразвуково смилане и диспергиране за приложения с голямо натоварване, като производството на суспензии на нанодиаманти, полиращи среди и нанокомпозити. Ултразвуковите апарати на Hielscher се използват по целия свят за диспергиране на наноматериали във водни колоидни суспензии, полимери, смоли, покрития и други материали с високи експлоатационни характеристики.
Ултразвуковите диспергатори на Hielscher са надеждни и ефективни при обработка на материали с нисък до висок вискозитет. В зависимост от изходните материали и целевия краен размер на частиците ултразвуковият интензитет може да се регулира прецизно за оптимални резултати от процеса.
За обработка на вискозни пасти, наноматериали и високи концентрации на твърда фаза ултразвуковият диспергатор трябва да може непрекъснато да генерира високи амплитуди. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигуряват много високи амплитуди при непрекъсната работа с пълно натоварване. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат при работа 24/7. Възможността ултразвуковият диспергатор да работи при високи амплитуди и амплитудата да се регулира прецизно е необходима за адаптиране на условията на ултразвуковия процес с цел оптимално формулиране на наносуспензии с високо съдържание на твърда фаза, полимерни смеси, армирани с наноматериали, и нанокомпозити.
Освен ултразвуковата амплитуда налягането е друг много важен параметър на процеса. При повишено налягане се увеличават интензитетът на ултразвуковата кавитация и породените от нея сили на срязване. Ултразвуковите реактори на Hielscher могат да работят под налягане, като по този начин се постига по-интензивна ултразвукова обработка.
Наблюдението на процеса и записването на данни са важни за постоянното стандартизиране на процеса и качеството на продукта. Датчици за налягане и температура със щепселни съединители се свързват с кабели към ултразвуковия генератор за наблюдение и управление на процеса на ултразвуково диспергиране. Всички важни параметри на обработката, като ултразвукова енергия (нетна + обща), температура, налягане и време, автоматично се регистрират и съхраняват на вградена SD карта. Чрез достъп до автоматично записаните данни за процеса можете да прегледате предишни ултразвукови обработки и да оцените резултатите от процеса.
Друга удобна за потребителя функция е дистанционното управление на нашите цифрови ултразвукови системи чрез браузър. Чрез дистанционното управление с браузър можете да стартирате, спирате, настройвате и наблюдавате своя ултразвуков процесор от разстояние, откъдето и да се намирате.
Свържете се с нас сега, за да научите повече за нашите високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори за смилане и нанодисперсии!
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати: