Ultrazvučna disperzija nanomaterijala (nanočestica)
Nanomaterijali su postali sastavni dio proizvoda tako raznolikih kao što su visokoučinski materijali, kreme za sunčanje, funkcionalni premazi ili plastični kompoziti. Ultrazvučna kavitacija koristi se za dispergiranje čestica nanoveličine u tekućine, kao što su voda, ulje, otapala ili smole.
Ultrazvučna disperzija nanočestica
Primjena ultrazvučne disperzije nanočestica ima višestruke učinke. Najočitiji je dispergiranje materijala u tekućinama radi razbijanja aglomerata čestica. Drugi proces je primjena ultrazvuka tokom sinteze ili precipitacije čestica. Općenito, to dovodi do manjih čestica i veće ujednačenosti veličine. Ultrazvučna kavitacija također poboljšava prijenos materije na površinama čestica. Ovaj učinak može se iskoristiti za poboljšanje površinske funkcionalizacije materijala s velikom specifičnom površinom.
Dispergiranje i smanjenje veličine nanomaterijala
Nanomaterijali, npr. metalni oksidi, nanogline ili ugljikove nanocijevi skloni su aglomeraciji kada se umiješaju u tekućinu. Učinkovita sredstva za deaglomeraciju i dispergiranje potrebna su za savladavanje sila vezivanja nakon vlaženja praha. Ultrazvučno razbijanje struktura aglomerata u vodenim i nevodenim suspenzijama omogućava iskorištavanje punog potencijala materijala nanoveličine. Istraživanja različitih disperzija nanočestičnih aglomerata s promjenjivim udjelom čvrstih tvari pokazala su znatnu prednost ultrazvuka u poređenju s drugim tehnologijama, kao što su miješalice rotor-stator (npr. ultra turrax), klipni homogenizatori ili metode mokrog mljevenja, npr. kuglični mlinovi ili koloidni mlinovi. Hielscher ultrazvučni sistemi mogu raditi pri prilično visokim koncentracijama čvrstih tvari. Na primjer, za silika utvrđeno je da brzina razbijanja ne ovisi o koncentraciji čvrstih tvari do 50% po masi. Ultrazvuk se može primijeniti za dispergiranje master-batcheva visoke koncentracije – obradom tekućina niske i visoke viskoznosti. Zbog toga je ultrazvuk dobro procesno rješenje za boje i premaze na bazi različitih medija, kao što su voda, smola ili ulje.
Ultrazvučni homogenizator UP400St za nanodisperzije
Ultrazvučna kavitacija
Disperzija i deaglomeracija ultrazvučnom obradom rezultat su ultrazvučne kavitacije. Kada se tekućine izlažu ultrazvuku, zvučni talasi koji se šire kroz tekućinu uzrokuju naizmjenične cikluse visokog i niskog pritiska. Time se mehanički opterećuju privlačne sile među pojedinačnim česticama. Ultrazvučna kavitacija u tekućinama uzrokuje brze mlazeve tekućine brzine do 1000km/hr (oko 600mph). Takvi mlazevi utiskuju tekućinu pod visokim pritiskom između čestica i odvajaju ih jedne od drugih. Manje čestice ubrzavaju se mlazevima tekućine i sudaraju velikim brzinama. Zbog toga je ultrazvuk učinkovito sredstvo za dispergiranje, ali i za mljevenje čestica veličine mikrona i submikronske veličine.
Sinteza / precipitacija čestica potpomognuta ultrazvukom
Nanočestice se mogu dobiti pristupom odozdo prema gore, sintezom ili precipitacijom. Sonohemija je jedna od najranijih tehnika korištenih za pripremu spojeva nanoveličine. Suslick je u svom originalnom radu sonicirao Fe(CO)5 kao čistu tekućinu ili u otopini deaclin i dobio amorfne nanočestice željeza veličine 10–20nm. Općenito, prezasićena smjesa počinje stvarati čvrste čestice iz visokokoncentriranog materijala. Ultrazvučna obrada poboljšava miješanje prekursora i povećava prijenos mase na površini čestica. To dovodi do manje veličine čestica i veće ujednačenosti.
UIP2000hdT, snažan ultrazvučni uređaj od 2kW za dispergiranje SWCNT-ova.
Funkcionalizacija površine pomoću ultrazvuka
Mnogi nanomaterijali, poput metalnih oksida, inkjet tinte i pigmenata za toner, ili punila za funkcionalne premaze, zahtijevaju funkcionalizaciju površine. Da bi se funkcionalizirala cijela površina svake pojedinačne čestice, potrebna je dobra metoda disperzije. Kada su dispergirane, čestice su obično okružene graničnim slojem molekula privučenih površinom čestice. Da bi nove funkcionalne grupe dospjele do površine čestice, taj granični sloj mora se razbiti ili ukloniti. Mlazevi tekućine nastali ultrazvučnom kavitacijom mogu dostići brzine do 1000km/hr. Ovo opterećenje pomaže u savladavanju privlačnih sila i prenosi funkcionalne molekule do površine čestice. U sonohemiji, ovaj učinak se koristi za poboljšanje performansi dispergiranih katalizatora.
Ultrazvučna obrada prije mjerenja veličine čestica
Ultrazvučna obrada uzoraka poboljšava tačnost mjerenja veličine ili morfologije čestica. Novi SonoStep objedinjuje ultrazvuk, miješanje i pumpanje uzoraka u kompaktnoj izvedbi. Jednostavan je za rukovanje i može se koristiti za dovođenje soniciranih uzoraka do analitičkih uređaja, kao što su analizatori veličine čestica. Intenzivna sonikacija pomaže u dispergiranju aglomeriranih čestica, što dovodi do konzistentnijih rezultata.Kliknite ovdje da saznate više!
Ultrazvučna obrada za laboratorijsku i proizvodnu skalu
Ultrazvučni procesori i protočne ćelije za deaglomeraciju i disperziju dostupni su za laboratorijski i proizvodni nivo. Industrijski sistemi mogu se lako naknadno prilagoditi za inline rad. Za istraživanje i razvoj procesa preporučujemo upotrebu UIP1000hd (1.000 vati).
Hielscher nudi širok raspon ultrazvučnih uređaja i pribora za učinkovito dispergiranje nanomaterijala, npr. u bojama, tintama i premazima.
- Kompaktni laboratorijski uređaji snage do 400 vati.
Ovi uređaji se uglavnom koriste za pripremu uzoraka ili početne studije izvodljivosti i dostupni su za iznajmljivanje. - 500 i 1.000 i 2.000 vati ultrazvučni procesori poput kompleta UIP1000hd s protočnom ćelijom i raznim booster rogovima i sonotrodama mogu obrađivati tokove većeg volumena.
Ovakvi uređaji koriste se za optimizaciju parametara (kao što su: amplituda, radni pritisak, protok itd.) u stolnoj izvedbi ili u mjerilu pilot-postrojenja. - Ultrazvučni procesori od 2kW, 4kW, 10kW i 16kW te veći klasteri od nekoliko takvih jedinica mogu obrađivati tokove proizvodnog volumena na gotovo bilo kojem nivou.
Stolna oprema dostupna je za iznajmljivanje pod povoljnim uvjetima radi provođenja procesnih ispitivanja. Rezultati takvih ispitivanja mogu se linearno skalirati na proizvodni nivo – čime se smanjuju rizik i troškovi u razvoju procesa. Rado ćemo vam pomoći online, telefonom ili lično. Molimo pronađite naše adrese ovdje, ili koristite obrazac ispod.
Tabela ispod daje orijentacijski pokazatelj približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Nanomaterijali – osnovne informacije
Nanomaterijali su materijali veličine manje od 100nm. Brzo prodiru u formulacije boja, tinti i premaza. Nanomaterijali se dijele u tri široke kategorije: metalni oksidi, nanogline i ugljikove nanocijevi. Nanočestice metalnih oksida uključuju nanorazmjerni cinkov oksid, titanov oksid, željezov oksid, cerijev oksid i cirkonijev oksid, kao i spojeve miješanih metala poput indij-kositar oksida i cirkonija i titana, kao i spojeve miješanih metala poput indij-kositar oksida. Ta sitna materija utječe na mnoge discipline, kao što su fizika, hemija i biologija. U bojama i premazima nanomaterijali ispunjavaju dekorativne potrebe (npr. boja i sjaj), funkcionalne svrhe (npr. provodljivost, mikrobna inaktivacija) i poboljšavaju zaštitu (npr. otpornost na ogrebotine, UV stabilnost) boja i premaza. Posebno metalni oksidi nanoveličine, kao što su TiO2 i ZnO ili alumina, ceria i silika te pigmenti nanoveličine nalaze primjenu u novim formulacijama boja i premaza.
Kada se materija smanji po veličini, mijenja svoje karakteristike, kao što su boja i interakcija s drugom materijom, poput hemijske reaktivnosti. Promjena karakteristika uzrokovana je promjenom elektronskih svojstava. Pri smanjenju veličine čestica, povećava se površina materijala. Zbog toga veći postotak atoma može stupiti u interakciju s drugom materijom, npr. s matricom smola.
Površinska aktivnost ključni je aspekt nanomaterijala. Aglomeracija i agregacija blokiraju površinu od kontakta s drugom materijom. Samo dobro dispergirane ili pojedinačno dispergirane čestice omogućavaju iskorištavanje punog korisnog potencijala materije. Kao rezultat, dobro dispergiranje smanjuje količinu nanomaterijala potrebnu za postizanje istih učinaka. Budući da je većina nanomaterijala još uvijek prilično skupa, ovaj aspekt je od velike važnosti za komercijalizaciju formulacija proizvoda koje sadrže nanomaterijale. Danas se mnogi nanomaterijali proizvode suhim postupkom. Zbog toga se čestice moraju umiješati u tekuće formulacije. Tu većina nanočestica stvara aglomerate tokom vlaženja. Posebno su ugljikove nanocijevi vrlo kohezivne, što otežava njihovo dispergiranje u tekućine, kao što su voda, etanol, ulje, polimer ili epoksidna smola. Konvencionalni uređaji za obradu, npr. miješalice visokog smicanja ili rotor-stator miješalice, homogenizatori visokog pritiska ili koloidni i diskovni mlinovi nisu dovoljni za razdvajanje nanočestica na pojedinačne čestice. Naročito za sitnu materiju od nekoliko nanometara do nekoliko mikrona, ultrazvučna kavitacija vrlo je učinkovita u razbijanju aglomerata, agregata, pa čak i primarnih čestica. Kada se ultrazvuk koristi za mljevenje šarži visoke koncentracije, mlazevi tekućine nastali ultrazvučnom kavitacijom uzrokuju sudaranje čestica brzinama do 1000km/h. Time se razbijaju van der Waalsove sile u aglomeratima, pa čak i u primarnim česticama.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinske ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskom, pilot i industrijskom mjerilu.