Надеждно диспергиране на наночастици за промишлени приложения

Ултразвуковата обработка с висока мощност може ефективно и надеждно да разбива агломератите от частици и дори да раздробява първичните частици. Поради високата им ефективност при диспергиране ултразвуковите устройства със сонда се използват като предпочитан метод за създаване на хомогенни суспензии от наночастици.

Надеждно диспергиране на наночастици чрез ултразвукова обработка

Много отрасли изискват приготвяне на суспензии, съдържащи наночастици. Наночастиците са твърди вещества с размер на частиците под 100nm. Поради изключително малкия си размер наночастиците проявяват уникални свойства като изключителна якост, твърдост, оптични характеристики, пластичност, устойчивост на UV лъчение, проводимост, електрически и електромагнитни (EM) свойства, устойчивост на корозия, устойчивост на надраскване и други забележителни характеристики.
Ултразвукът с висок интензитет и ниска честота създава интензивна акустична кавитация, която се характеризира с екстремни условия като сили на срязване, много големи разлики в налягането и температурата и турбулентност. Тези кавитационни сили ускоряват частиците, като предизвикват сблъсъци между тях и съответно раздробяването им. В резултат се получават наноструктурирани материали с тясна крива на разпределение на размера на частиците и равномерно разпределение.
Оборудването за ултразвуково диспергиране е подходящо за обработка на всякакви видове наноматериали във вода и органични разтворители, с нисък до много висок вискозитет.

Ултразвуково диспергиране на въглеродни нанотръби

Ултразвуковите диспергатори се използват широко за диспергиране на въглеродни нанотръби (CNTs). Ултразвуковата обработка е надежден метод за разплитане и диспергиране на едностенни въглеродни нанотръби (SWCNTs), както и на многостенни въглеродни нанотръби (MWCNTs). Например, за да се произведе термопластичен полимер с висока проводимост, Nanocyl® 3100 с висока чистота (> 95%) (MWCNTs; външен диаметър 9,5 nm; чистота 95 +%) са диспергирани с ултразвук с помощта на Hielscher UP200S за 30min. при стайна температура. Ултразвуково диспергираните Nanocyl® 3100 MWCNTs при концентрация 1% w/w в епоксидната смола показват превъзходна проводимост от приблизително 1,5 × 10-2 S /m.

Ултразвуково диспергиране на никелови наночастици

Никелови наночастици могат успешно да се получават чрез синтез с хидразинова редукция, подпомагана от ултразвук. Методът на синтез с хидразинова редукция позволява получаване на чисти метални никелови наночастици със сферична форма чрез химична редукция на никелов хлорид с хидразин. Изследователската група на Adám демонстрира, че ултразвуковата обработка – с помощта на Hielscher UP200Ht (200W, 26kHz) – успява да поддържа среден размер на първичните кристалити (7–8 nm) независимо от приложената температура, докато използването на интензивни и по-кратки периоди на ултразвукова обработка може да намали солводинамичните диаметри на вторичните, агрегирани частици от 710 nm до 190 nm без никакво повърхностноактивно вещество. Най-високата киселинност и каталитична активност са измерени при наночастиците, получени чрез умерена (30 W изходна мощност) и непрекъсната ултразвукова обработка. Каталитичното поведение на наночастиците е изпитано в реакция на кръстосано свързване на Suzuki-Miyaura върху пет проби, приготвени както по конвенционален, така и по ултразвуков метод. Катализаторите, получени с ултразвук, обикновено показват по-добри резултати, а най-високата каталитична активност е измерена при наночастиците, получени чрез непрекъсната ултразвукова обработка с ниска мощност (30 W).
Ултразвуковата обработка има решаващо въздействие върху склонността на наночастиците към агрегиране: дефрагментационното въздействие на разрушените кавитационни кухини с интензивния масообмен може да преодолее електростатичното привличане на разрушените кавитационни кухини с интензивния масообмен, може да преодолее привличащите електростатични сили и силите на van der Waals между частиците.
(вж. Adám et al. 2020)

Ултразвуков синтез на наночастици от воластонит

Воластонитът е калциев иносиликатен минерал с химична формула CaSiO3. Воластонитът се използва широко като компонент за производство на цимент, стъкло, тухли и плочки в строителната промишленост, като флюс при леене на стомана, както и като добавка при производството на покрития и бои. Например воластонитът осигурява армиране, втвърдяване, ниска маслоабсорбция и други подобрения. За постигане на отлични армиращи свойства на воластонита са от съществено значение деагломерацията на наномащабно ниво и равномерното диспергиране.
Dordane и Doroodmand (2021) демонстрират в своите изследвания, че ултразвуковото диспергиране е много важен фактор, който влияе значително върху размера и морфологията на наночастиците от воластонит. За да оцени приноса на ултразвуковата обработка за нанодиспергирането на воластонит, изследователският екип синтезира наночастици от воластонит със и без прилагане на ултразвук с висока мощност. За своите опити с ултразвукова обработка изследователите използват ултразвуковия процесор UP200H (Hielscher Ultrasonics) с честота 24 kHz за 45,0 min. Резултатите от ултразвуковото нанодиспергиране са показани на изображението от сканираща електронна микроскопия (SEM) с висока разделителна способност по-долу. SEM изображението ясно показва, че пробата от воластонит преди ултразвуковата обработка е агломерирана и агрегирана; след ултразвуковата обработка с устройството UP200H средният размер на частиците от воластонит е приблизително 10nm. Изследването демонстрира, че ултразвуковото диспергиране е надежден и ефективен метод за синтез на наночастици от воластонит. Средният размер на наночастиците може да се контролира чрез регулиране на параметрите на ултразвуковата обработка.
(вж. Dordane и Doroodmand, 2021)

SEM изображения на наночастиците от воластонит (A) преди и (B) след ултразвукова обработка с помощта на ултразвуковия процесор UP200H за 45,0 min.
Изследване и изображение: ©Dordane и Doroodmand, 2021.

Ултразвуково диспергиране на нанопълнители

Ултразвуковата обработка е универсален метод за диспергиране и деагломерация на нанопълнители в течности и суспензии, например полимери, епоксидни смоли, втвърдители, термопласти и др. Поради това ултразвуковата обработка се използва широко като високоефективен метод за диспергиране в научноизследователската и развойната дейност и промишленото производство.
Zanghellini et al. (2021) изследват метода на ултразвуково диспергиране на нанопълнители в епоксидна смола. Той успява да демонстрира, че ултразвуковата обработка може да диспергира нанопълнители с ниски и високи концентрации в полимерна матрица.
При сравняване на различни състави окислените CNT с концентрация 0,5 wt% показват най-добрите резултати от всички проби, обработени с ултразвук, като разкриват разпределение на размерите на повечето агломерати в диапазон, сравним с този на пробите, получени с тривалцова мелница, добро свързване с втвърдителя и образуване на перколационна мрежа в дисперсията, което показва устойчивост на седиментация и съответно добра дългосрочна стабилност. По-високите количества пълнител показват подобни добри резултати, но също така образуване на по-изразени вътрешни мрежи, както и малко по-големи агломерати. Дори въглеродни нановлакна (CNF) могат успешно да се диспергират чрез ултразвукова обработка. Успешно е постигнато директно ултразвуково (US) диспергиране на нанопълнители в системите с втвърдители без допълнителни разтворители и затова то може да се разглежда като приложим метод за просто и пряко диспергиране с потенциал за промишлена употреба. (вж. Zanghellini et al., 2021)
 

Сравнение на различни нанопълнители, диспергирани във втвърдител (ултразвукова обработка–US): (a) 0,5 wt% въглеродни нановлакна (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% въглеродни нанотръби (CNT); (d) 0,5 wt% частично диспергирани CNT.
(Изследване и изображение: © Zanghellini et al., 2021)

Ултразвуково диспергиране на наночастици – научно доказано превъзходство

Многобройни задълбочени изследвания показват, че ултразвуковото диспергиране е един от превъзходните методи за деагломерация и разпределяне на наночастици в течности дори при висока концентрация. Например Vikash (2020) изследва диспергирането на големи количества наночастици от силициев диоксид във вискозни течности с помощта на ултразвуковия диспергатор Hielscher UP400S. В своето изследване той стига до заключението, че „стабилно и равномерно диспергиране на наночастици може да се постигне с помощта на устройство за ултразвукова обработка при високо съдържание на твърда фаза във вискозни течности.“ [Vikash, 2020]

Високопроизводителни ултразвукови процесори за диспергиране на наночастици

Hielscher Ultrasonics е вашият надежден доставчик на надеждно високопроизводително ултразвуково оборудване – от лабораторни и пилотни до изцяло промишлени системи. Устройствата на Hielscher Ultrasonics се отличават с усъвършенстван хардуер, интелигентен софтуер и изключителна лекота на използване – проектирани и произведени в Германия. Здравите ултразвукови машини на Hielscher за диспергиране, деагломерация, синтез и функционализиране на наночастици могат да работят 24/7/365 при пълно натоварване. В зависимост от вашия процес и производствен обект нашите ултразвукови устройства могат да работят в периодичен или непрекъснат проточен режим. Различни принадлежности като сонотроди (ултразвукови сонди), усилватели на амплитудата, проточни клетки и реактори са на разположение.
Свържете се с нас сега, за да получите повече техническа информация, научни изследвания, протоколи и ценова оферта за нашите ултразвукови системи за нанодиспергиране! Нашият добре обучен персонал с дългогодишен опит с удоволствие ще обсъди с вас вашето нанотехнологично приложение!

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства: