Pouzdana disperzija nanočestica za industrijske primjene

Ultrazvučna obrada visoke snage može efikasno i pouzdano razbiti aglomerate čestica, pa čak i dezintegrirati primarne čestice. Zbog visokih disperzijskih performansi, ultrazvučni uređaji sa sondom koriste se kao preferirana metoda za stvaranje homogenih suspenzija nanočestica.

Pouzdana disperzija nanočestica ultrazvučnom obradom

Mnoge industrije zahtijevaju pripremu suspenzija koje su opterećene nanočesticama. Nanočestice su čvrste tvari veličine čestica manje od 100nm. Zbog sitne veličine čestica, nanočestice pokazuju jedinstvena svojstva kao što su izuzetna čvrstoća, tvrdoća, optičke karakteristike, duktilnost, otpornost na UV zračenje, provodljivost, električna i elektromagnetna (EM) svojstva, otpornost na koroziju, otpornost na ogrebotine i druge izvanredne karakteristike.
Visokointenzivni ultrazvuk niske frekvencije stvara intenzivnu akustičnu kavitaciju, koju karakteriziraju ekstremni uvjeti kao što su smične sile, vrlo visoke razlike tlaka i temperature te turbulencije. Te kavitacijske sile ubrzavaju čestice, uzrokujući sudare među česticama i posljedično njihovo drobljenje. Posljedično se dobivaju nanostrukturirani materijali s uskom krivuljom raspodjele veličine čestica i ravnomjernom raspodjelom.
Ultrazvučna oprema za dispergiranje pogodna je za obradu svih vrsta nanomaterijala u vodi i organskim otapalima, s niskim do vrlo visokim viskoznostima.

Ultrazvučna disperzija ugljičnih nanocijevi

Ultrazvučni dispergatori se široko koriste za dispergiranje ugljičnih nanocijevi (CNT). Ultrazvučna obrada (sonikacija) pouzdana je metoda za rasplitanje i dispergiranje jednozidnih ugljičnih nanocijevi (SWCNT) kao i višezidnih ugljičnih nanocijevi (MWCNT). Na primjer, da bi se proizveo visokoprovodljiv termoplastični polimer, visokočisti (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNT; vanjski promjer 9,5 nm; čistoća 95 +%) ultrazvučno je dispergiran pomoću Hielscher UP200S tokom 30 min na sobnoj temperaturi. Ultrazvučno dispergirane MWCNT Nanocyl® 3100 u koncentraciji od 1% w/w u epoksidnoj smoli pokazale su vrhunsku provodljivost od približno 1,5 × 10-2 S /m.

Ultrazvučna disperzija nikalnih nanočestica

Nikalne nanočestice mogu se uspješno proizvesti ultrazvučno potpomognutom sintezom redukcijom hidrazinom. Put sinteze redukcijom hidrazinom omogućava pripremu čistih metalnih nikalnih nanočestica sferičnog oblika hemijskom redukcijom nikal-klorida hidrazinom. Istraživačka grupa Adáma pokazala je da je ultrazvučna obrada – uz upotrebu Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – mogla održati prosječnu veličinu primarnih kristalita (7–8 nm) neovisno o primijenjenoj temperaturi, dok je primjena intenzivnih i kraćih perioda ultrazvučne obrade mogla smanjiti solvodinamičke promjere sekundarnih, agregiranih čestica sa 710 nm na 190 nm u odsustvu bilo kakvog surfaktanta. Najveća kiselost i katalitička aktivnost izmjerene su za nanočestice pripremljene blagim (izlazna snaga 30 W) i kontinuiranim ultrazvučnim tretmanom. Katalitičko ponašanje nanočestica ispitano je u Suzuki-Miyaura reakciji unakrsnog spajanja na pet uzoraka pripremljenih na konvencionalan, kao i na ultrazvučni način. Ultrazvučno pripremljeni katalizatori obično su pokazali bolje rezultate, a najveća katalitička aktivnost izmjerena je kod nanočestica pripremljenih pod kontinuiranom ultrazvučnom obradom niske snage (30 W).
Ultrazvučni tretman imao je presudan utjecaj na sklonost nanočestica agregaciji: utjecaj defragmentacije uništenih kavitacijskih šupljina uz intenzivan prijenos mase mogao je nadvladati privlačnu elektrostatiku uništenih kavitacijskih šupljina uz intenzivan prijenos mase mogao je nadvladati privlačne elektrostatičke i van der Waalsove sile među česticama.
(usp. Adám et al. 2020)

Ultrazvučna sinteza nanočestica volastonita

Volastonit je kalcijev inosilikatni mineral hemijske formule CaSiO3 Volastonit se široko koristi kao komponenta u proizvodnji cementa, stakla, cigle i pločica u građevinskoj industriji, kao topitelj pri livenju čelika te kao aditiv u proizvodnji premaza i boja. Na primjer, volastonit pruža ojačanje, očvršćivanje, nisku apsorpciju ulja i druga poboljšanja. Da bi se postigla odlična ojačavajuća svojstva volastonita, neophodni su deaglomeracija na nanorazini i ravnomjerna disperzija.
Dordane i Doroodmand (2021) u svojim su istraživanjima pokazali da je ultrazvučna disperzija vrlo važan faktor koji značajno utječe na veličinu i morfologiju nanočestica volastonita. Kako bi procijenili doprinos ultrazvučne obrade nanodisperziji volastonita, istraživački tim sintetizirao je nanočestice volastonita sa i bez primjene ultrazvuka visoke snage. Za svoje pokuse ultrazvučne obrade istraživači su koristili ultrazvučni procesor UP200H (Hielscher Ultrasonics) frekvencije 24 kHz tokom 45,0 min. Rezultati ultrazvučne nanodisperzije prikazani su na SEM snimcima visoke rezolucije u nastavku. SEM snimak jasno pokazuje da je uzorak volastonita prije ultrazvučnog tretmana aglomeriran i agregiran; nakon ultrazvučne obrade ultrazvučnim uređajem UP200H prosječna veličina čestica volastonita iznosi približno 10nm. Studija pokazuje da je ultrazvučna disperzija pouzdana i efikasna tehnika za sintezu nanočestica volastonita. Prosječna veličina nanočestica može se kontrolirati podešavanjem parametara ultrazvučne obrade.
(usp. Dordane i Doroodmand, 2021)

SEM snimci nanočestica volastonita (A) prije i (B) nakon ultrazvučne obrade pomoću ultrazvučnog procesora UP200H tokom 45,0 min.
Studija i slika: ©Dordane i Doroodmand, 2021.

Ultrazvučna disperzija nanopunila

Ultrazvučna obrada je svestrana metoda za dispergiranje i deaglomeraciju nanopunila u tekućinama i suspenzijama, npr. polimerima, epoksidnim smolama, učvršćivačima, termoplastima itd. Stoga se sonikacija široko koristi kao vrlo efikasna metoda dispergiranja u istraživanju i razvoju te u industrijskoj proizvodnji.
Zanghellini et al. (2021) istražili su tehniku ultrazvučne disperzije nanopunila u epoksidnoj smoli. Uspjelo se pokazati da je ultrazvučna obrada mogla dispergirati male i visoke koncentracije nanopunila u polimernu matricu.
Usporedbom različitih formulacija, 0,5 wt% oksidiranih CNT pokazalo je najbolje rezultate među svim ultrazvučno obrađenim uzorcima, uz raspodjelu veličina većine aglomerata u rasponu usporedivom s uzorcima proizvedenim valjkastim mlinom s tri valjka, dobro vezanje za učvršćivač i stvaranje perkolacijske mreže unutar disperzije, što ukazuje na stabilnost protiv sedimentacije i time na odgovarajuću dugoročnu stabilnost. Veće količine punila pokazale su slično dobre rezultate, ali i stvaranje izraženijih unutarnjih mreža te nešto veće aglomerate. Čak su se i ugljična nanovlakna (CNF) mogla uspješno dispergirati ultrazvučnom obradom. Direktna US disperzija nanopunila u sisteme učvršćivača bez dodatnih otapala uspješno je postignuta te se stoga može smatrati primjenjivom metodom za jednostavnu i izravnu disperziju s potencijalom za industrijsku upotrebu. (usp. Zanghellini et al., 2021)

Usporedba različitih nanopunila dispergiranih u učvršćivaču (ultrazvučna obrada–US): (a) 0,5 wt% ugljično nanovlakno (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% ugljična nanocijev (CNT); (d) 0,5 wt% CNT poludispergirane.
(Studija i slika: © Zanghellini et al., 2021)

Ultrazvučna disperzija nanočestica – znanstveno dokazana superiornost

Istraživanja u brojnim sofisticiranim studijama pokazuju da je ultrazvučna disperzija jedna od superiornih tehnika za deaglomeraciju i raspodjelu nanočestica čak i pri visokoj koncentraciji u tekućinama. Na primjer, Vikash (2020) istražio je dispergiranje visokih opterećenja nano-silicija u viskoznim tekućinama pomoću Hielscher ultrazvučnog dispergatora UP400S. U svojoj studiji dolazi do zaključka da se “stabilna i ravnomjerna disperzija nanočestica može postići upotrebom ultrazvučnog uređaja pri visokom udjelu čvrstih tvari u viskoznim tekućinama.” [Vikash, 2020]

Visokoperformansni ultrazvučni procesori za disperziju nanočestica

Hielscher Ultrasonics je vaš pouzdan dobavljač pouzdane visokoperformansne ultrazvučne opreme, od laboratorijskih i pilot do punih industrijskih sistema. Uređaji tvrtke Hielscher Ultrasonics odlikuju se sofisticiranim hardverom, pametnim softverom i izvanrednom jednostavnošću korištenja – dizajnirani i proizvedeni u Njemačkoj. Robusni ultrazvučni uređaji tvrtke Hielscher za dispergiranje, deaglomeraciju, sintezu i funkcionalizaciju nanočestica mogu raditi 24/7/365 pod punim opterećenjem. Ovisno o vašem procesu i proizvodnom pogonu, naši ultrazvučni uređaji mogu raditi u šaržnom ili kontinuiranom in-line načinu rada. Razni dodaci kao što su sonotrode (ultrazvučne sonde), booster nastavci, protočne ćelije i reaktori lako su dostupni.
Kontaktirajte nas odmah kako biste dobili više tehničkih informacija, znanstvenih studija, protokola i ponudu za naše sisteme za ultrazvučnu nanodisperziju! Naše dobro obučeno osoblje s dugogodišnjim iskustvom rado će s vama razgovarati o vašoj nanoaplikaciji!

Tabela u nastavku daje vam orijentacijski pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: