Надеждна дисперсия на наночастици за промишлени приложения

Ултразвукът с висока мощност може ефективно и надеждно да разбие агломератите на частиците и дори да разгради първичните частици. Поради високоефективните си дисперсионни характеристики, ултразвуковите апарати от сондов тип се използват като предпочитан метод за създаване на хомогенни суспензии от наночастици.

Надеждна дисперсия на наночастици чрез ултразвук

Много индустрии изискват приготвянето на суспензии, които са натоварени с наночастици. Наночастиците са твърди вещества с размер на частиците по-малък от 100 nm. Поради малкия размер на частиците, наночастиците изразяват уникални свойства като изключителна якост, твърдост, оптични характеристики, пластичност, UV устойчивост, проводимост, електрически и електромагнитни (EM) свойства, антикорозионност, устойчивост на надраскване и други изключителни характеристики.
Високоинтензивният, нискочестотен ултразвук създава интензивна акустична кавитация, която се характеризира с екстремни условия като сили на срязване, много високи разлики в налягането и температурата и турбуленции. Тези кавитационни сили ускоряват частиците, причинявайки сблъсъци между частиците и впоследствие разбиване на частиците. Следователно се получават наноструктурирани материали с тясна крива на размера на частиците и равномерно разпределение.
Оборудването за ултразвуково диспергиране е подходящо за обработка на всякакъв вид наноматериали във вода и органични разтворители, с нисък до много висок вискозитет.

Ултразвукова дисперсия на въглеродни нанотръби

Ultrasonic dispersers are widely used for the purpose of dispersing carbon nanotubes (CNTs). Sonication is a reliable method to detangle and disperse single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as well as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). For instance, in order to produce a highly conductive thermoplastic polymer, high-purity (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; external diameter 9.5 nm; purity 95 +%) have been ultrasonically dispersed with the Hielscher UP200S for 30min. at room temperature. The ultrasonically dispersed Nanocyl® 3100 MWCNTs at a concentration of 1% w/w in the epoxy resin showed superior conductivity of approx. 1.5 × 10-2 S /m.

Ултразвукова дисперсия на никелови наночастици

Никеловите наночастици могат да бъдат успешно произведени чрез ултразвуков синтез на хидразин редукция. Пътят на синтеза на хидразин-редукция позволява на tp да се получи чиста метална никелова наночастица със сферична форма чрез химическа редукция на никелов хлорид с хидразин. Изследователската група на Адам демонстрира, че ултразвукът – Използване на Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – е в състояние да поддържа среден размер на първичния кристалит (7–8 nm) независимо от приложената температура, докато използването на интензивни и по-кратки периоди на ултразвук може да намали солводинамичните диаметри на вторичните, агрегирани частици от 710 nm до 190 nm при липса на повърхностно активно вещество. Най-високата киселинност и каталитична активност са измерени за наночастиците, получени чрез лека (30 W изходна мощност) и непрекъсната ултразвукова обработка. Каталитичното поведение на наночастиците е тествано в реакция на кръстосано свързване на Сузуки-Мияура върху пет проби, приготвени по конвенционалния и ултразвуковия начин. Ултразвуково подготвените катализатори обикновено се представят по-добре и най-високата каталитична активност е измерена върху наночастиците, приготвени при непрекъсната ултразвук с ниска мощност (30 W).
Ултразвуковото лечение има решаващ ефект върху агрегационната тенденция на наночастиците: дефрагментиращото влияние на разрушените кавитационни кухини с енергичен пренос на маса може да преодолее привлекателната електростатична сила на разрушените кавитационни кухини с енергичен пренос на маса може да преодолее привличащите електростатични сили и сили на Ван дер Ваалс между частиците.
(вж. Adám et al. 2020)

Ултразвуков синтез на воластонитни наночастици

Воластонитът е калциев иносиликатен минерал с химическа формула CaSiO3 Воластонитът се използва широко като компонент за производството на цимент, стъкло, тухли и плочки в строителната индустрия, като флюс при леене на стомана, както и като добавка в производството на покрития и бои. Например, воластонитът осигурява армировка, втвърдяване, ниска абсорбция на масло и други подобрения. За да се получат отлични подсилващи свойства на воластонита, наномащабната деагломерация и равномерната дисперсия са от съществено значение.
Dordane и Doroodmand (2021) демонстрираха в своите проучвания, че ултразвуковата дисперсия е много важен фактор, който значително влияе върху размера и морфологията на наночастиците на воластонит. За да оцени приноса на ултразвука върху нанодисперсията на воластонит, изследователският екип синтезира наночастици от воластонит със и без прилагане на ултразвук с висока мощност. За своите изпитания на ултразвука изследователите използваха ултразвуков процесор UP200H (Hielscher Ultrasonics) с честота 24 kHz за 45,0 мин. Резултатите от ултразвуковата нанодисперсия са показани в SEM с висока разделителна способност по-долу. Изображението на SEM показва ясно, че пробата от воластонит преди ултразвукова обработка се агломерира и агрегира; след ултразвука с ултразвуковия апарат UP200H средният размер на частиците воластонит е приблизително 10 nm. Проучването показва, че ултразвуковата дисперсия е надеждна и ефективна техника за синтез на валастонитни наночастици. Средният размер на наночастиците може да се контролира чрез регулиране на параметрите на ултразвукова обработка.
(срв. Dordane and Doroodmand, 2021)

СЕМ изображения на валастонитните наночастици (А) преди и (Б) след ултразвук с помощта на ултразвуков процесор UP200H за 45.0 мин.
Проучване и снимка: ©Дордейн и Дороодманд, 2021 г.

Ултразвукова дисперсия на нанофилър

Соникирането е универсален метод за диспергиране и деагломериране на нанопълнители в течности и суспензии, например полимери, епоксидни смоли, втвърдители, термопласти и др. Поради това сонификацията се използва широко като високоефективен метод за дисперсия в R&D и промишлено производство.
Zanghellini et al. (2021) изследва техниката на ултразвукова дисперсия за нанопълнители в епоксидна смола. Той може да демонстрира, че ултразвукът е в състояние да разпръсне малки и високи концентрации на нанопълнители в полимерна матрица.
Сравнявайки различни формулировки, 0,5 тегловно тегловно окислено CNT показва най-добрите резултати от всички ултразвукови проби, разкривайки разпределение на размера на повечето агломерати в сравним диапазон с три проби, произведени от валцова мелница, добро свързване с втвърдителя, образуване на мрежа за филтриране вътре в дисперсията, което сочи към стабилност срещу утаяване и по този начин правилна дългосрочна стабилност. По-високите количества пълнители показват подобни добри резултати, но също така и образуването на по-изразени вътрешни мрежи, както и малко по-големи агломерати. Дори въглеродните нановлакна (CNF) могат да бъдат разпръснати успешно чрез ултразвук. Директната дисперсия на нанопълнителите в САЩ в системите за втвърдители без допълнителни разтворители беше успешно постигната и по този начин може да се разглежда като приложим метод за проста и ясна дисперсия с потенциал за промишлена употреба. (срв. Zanghellini et al., 2021)
 

Сравнение на различни нанопълнители, диспергирани в втвърдител (ултразвук – САЩ): а) 0,5 тегловни % въглеродни нановлакна (CNF); б) 0,5 тегловни % CNToxi; в) 0,5 тегловни % въглеродни нанотръби (CNT); г) 0,5 тегловни % CNT полудиспергиран.
(Проучване и снимка: © Zanghellini et al., 2021)

Ултразвукова дисперсия на наночастици – Научно доказано превъзходство

Изследванията показват в многобройни сложни изследвания, че ултразвуковата дисперсия е една от най-добрите техники за деагломериране и разпределение на наночастици дори при висока концентрация в течности. Например, Vikash (2020) изследва дисперсията на високи натоварвания на нано-силициев диоксид във вискозни течности с помощта на ултразвуковия диспергатор на Hielscher UP400S. В своето изследване той стига до заключението, че "стабилната и равномерна дисперсия на наночастиците може да бъде постигната с помощта на ултразвуково устройство при високо натоварване на твърдо вещество във вискозни течности". [Викаш, 2020]

Високопроизводителни ултразвукови процесори за дисперсия на наночастици

Hielscher Ultrasonics е вашият надежден доставчик на надеждно високопроизводително ултразвуково оборудване от лабораторни и пилотни до напълно индустриални системи. Ултразвук на Hielscher’ Устройствата се отличават със сложен хардуер, интелигентен софтуер и изключително удобство за потребителя – проектирани и произведени в Германия. Здравите ултразвукови машини на Hielscher за дисперсия, деагломерация, синтез на наночастици и функционализация могат да работят 24/7/365 при пълно натоварване. В зависимост от вашия процес и вашето производствено съоръжение, нашите ултразвукови апарати могат да работят в партиден или непрекъснат поточни режим. Лесно достъпни са различни аксесоари като сонотроди (ултразвукови сонди), бустерни клаксони, проточни клетки и реактори.
Свържете се с нас сега, за да получите повече техническа информация, научни изследвания, протоколи и оферта за нашите ултразвукови нанодисперсионни системи! Нашият добре обучен и дългогодишен опит персонал ще се радва да обсъди вашето нано-приложение с вас!

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