Pouzdana disperzija nanočestica za industrijsku primjenu

Ultrasonication velike snage može efikasno i pouzdano razbiti aglomerate čestica, pa čak i dezintegrirati primarne čestice. Zbog svojih visokih performansi disperzije, ultrazvučni aparati tipa sonde se koriste kao poželjna metoda za stvaranje homogenih suspenzija nanočestica.

Pouzdana disperzija nanočestica ultrazvukom

Mnoge industrije zahtijevaju pripremu suspenzija, koje su napunjene nanočesticama. Nanočestice su čvrste materije čija je veličina čestica manja od 100 nm. Zbog male veličine čestica, nanočestice izražavaju jedinstvena svojstva kao što su izuzetna čvrstoća, tvrdoća, optičke karakteristike, duktilnost, UV otpornost, provodljivost, električna i elektromagnetna (EM) svojstva, antikorozivnost, otpornost na grebanje i druge izvanredne karakteristike.
Ultrazvuk visokog intenziteta, niske frekvencije stvara intenzivnu akustičnu kavitaciju, koju karakterišu ekstremni uslovi kao što su posmične sile, veoma visoke razlike pritiska i temperature i turbulencije. Ove kavitacijske sile ubrzavaju čestice uzrokujući međučestične sudare i posljedično razbijanje čestica. Posljedično, dobivaju se nanostrukturirani materijali s uskom krivuljom veličine čestica i ujednačenom distribucijom.
Ultrazvučna oprema za raspršivanje pogodna je za tretiranje bilo koje vrste nanomaterijala u vodi i organskim rastvaračima, sa niskim do vrlo visokim viskozitetima.

Ultrazvučna disperzija ugljičnih nanocijevi

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.

Ultrazvučna disperzija nanočestica nikla

Nanočestice nikla mogu se uspješno proizvesti sintezom redukcije hidrazina uz pomoć ultrazvuka. Put sinteze redukcije hidrazina omogućava pripremu čiste metalne nanočestice nikla sfernog oblika hemijskom redukcijom nikl hlorida hidrazinom. Adamova istraživačka grupa je pokazala da ultrazvuk – koristeći Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – bio u stanju da održi prosečnu veličinu primarnog kristalita (7-8 nm) nezavisno od primenjene temperature, dok je upotreba intenzivnih i kraćih perioda sonikacije mogla smanjiti solvodinamičke prečnike sekundarnih, agregiranih čestica sa 710 nm na 190 nm u odsustvu bilo kojeg 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 konvencionalni i ultrazvučni način. Ultrazvučno pripremljeni katalizatori obično su radili bolje, a najveća katalitička aktivnost je izmjerena nad nanočesticama pripremljenim uz kontinualnu sonikaciju male snage (30 W).
Tretman ultrazvukom imao je presudne učinke na tendenciju agregacije nanočestica: defragmentacijski utjecaj uništenih kavitacijskih šupljina uz snažan prijenos mase mogao je nadvladati privlačnu elektrostatiku uništenih kavitacijskih šupljina snažnim prijenosom mase mogao je nadvladati privlačnu elektrostatiku i van der Valsove sile između čestica.
(usp. Adám et al. 2020.)

Ultrazvučna sinteza nanočestica volastonita

Wollastonite je kalcijum inosilikatni mineral sa hemijskom formulom CaSiO3 Wollastonite se široko koristi kao komponenta za proizvodnju cementa, stakla, cigle i crijepa u građevinskoj industriji, kao fluks u livenju čelika kao i kao dodatak u proizvodnji premazi i boje. Na primjer, wolastonit pruža pojačanje, učvršćivanje, nisku apsorpciju ulja i druga poboljšanja. Da bi se dobila odlična ojačavajuća svojstva wolastonita, neophodna je deaglomeracija nano-razmjera i jednolika disperzija.
Dordane i Doroodmand (2021) su u svojim studijama pokazali da je ultrazvučna disperzija vrlo važan faktor koji značajno utječe na veličinu i morfologiju nanočestica volastonita. Kako bi procijenio doprinos ultrazvučne obrade na nano-disperziji wolastonita, istraživački tim je sintetizirao nanočestice wolastonita sa i bez primjene ultrazvuka velike snage. Za svoja ispitivanja sonikacije, istraživači su koristili ultrazvučni procesor UP200H (Hielscher Ultrasonics) sa frekvencijom od 24 kHz u trajanju od 45,0 min. Rezultati ultrazvučne nano-disperzije prikazani su u SEM-u visoke rezolucije ispod. SEM slika jasno pokazuje da je uzorak volastonita prije ultrazvučnog tretmana aglomeriran i agregiran; nakon obrade ultrazvukom UP200H prosječna veličina čestica volastonita je cca. 10nm. Studija pokazuje da je ultrazvučna disperzija pouzdana i efikasna tehnika za sintetizaciju nanočestica wolastonita. Prosječna veličina nanočestica može se kontrolisati podešavanjem parametara ultrazvučne obrade.
(usp. Dordane i Doroodmand, 2021.)

SEM slike nanočestica wolastonita (A) prije i (B) nakon ultrazvučne obrade pomoću Ultrazvučni procesor UP200H za 45,0 min.
Studija i slika: ©Dordane i Doroodmand, 2021.

Ultrazvučna disperzija nanopunila

Sonikacija je svestrana metoda za raspršivanje i deaglomeraciju nanopunila u tekućinama i kašama, npr. polimeri, epoksidne smole, učvršćivači, termoplasti itd. Stoga se sonifikacija široko koristi kao visoko efikasna metoda disperzije u R&D i industrijska proizvodnja.
Zanghellini et al. (2021) istraživali su tehniku ultrazvučne disperzije za nanopunila u epoksidnoj smoli. Mogao je pokazati da je ultrazvuk u stanju da rasprši male i visoke koncentracije nanopunila u polimernu matricu.
Upoređujući različite formulacije, 0,5 tež.% oksidirani CNT pokazao je najbolje rezultate od svih sonikiranih uzoraka, otkrivajući raspodjelu veličine većine aglomerata u usporedivom rasponu s tri uzorka proizvedena u mlinovima, dobro vezivanje za učvršćivač, formiranje perkolaciona mreža unutar disperzije, što ukazuje na stabilnost protiv sedimentacije i time odgovarajuću dugoročnu stabilnost. Veće količine punila su pokazale slične dobre rezultate, ali i formiranje izraženijih unutrašnjih mreža kao i nešto većih aglomerata. Čak se i karbonska nanovlakna (CNF) mogu uspješno raspršiti ultrazvukom. Uspješno je postignuta direktna US disperzija nanopunila u sistemima učvršćivača bez dodatnih rastvarača, te se stoga može smatrati primjenjivom metodom za jednostavnu i jednostavnu disperziju s potencijalom za industrijsku upotrebu. (usp. Zanghellini et al., 2021.)
 

Poređenje različitih nanopunila dispergovanih u učvršćivaču (ultrazvuk—US): (a) 0,5 tež.% ugljeničnih nanovlakna (CNF); (b) 0,5 tež% CNToxi; (c) 0,5 tež% ugljenične nanocevi (CNT); (d) 0,5 tež% CNT polu-dispergovan.
(Studija i slika: © Zanghellini et al., 2021.)

Ultrazvučna disperzija nanočestica – Naučno dokazano za superiornost

Istraživanja pokazuju u brojnim sofisticiranim studijama da je ultrazvučna disperzija jedna od superiornih tehnika za deaglomeraciju i distribuciju nanočestica čak i pri visokim koncentracijama u tekućinama. Na primjer, Vikash (2020) je istraživao disperziju velikih opterećenja nano-silicijum dioksida u viskoznim tekućinama koristeći Hielscher ultrazvučni disperzer UP400S. U svojoj studiji, on dolazi do zaključka da se „stabilna i ujednačena disperzija nanočestica može postići korištenjem ultrazvučnog uređaja pri velikom opterećenju čvrste tvari u viskoznim tekućinama.“ [Vikaš, 2020.]

Ultrazvučni procesori visokih performansi za disperziju nanočestica

Hielscher Ultrasonics je vaš pouzdan dobavljač za pouzdanu ultrazvučnu opremu visokih performansi od laboratorijskih i pilotskih do potpuno industrijskih sistema. Hielscher Ultrasonics’ uređaji imaju sofisticirani hardver, pametan softver i izvanrednu jednostavnost za korištenje – dizajniran i proizveden u Njemačkoj. Hielscherove robusne ultrazvučne mašine za disperziju, deaglomeraciju, sintezu nanočestica i funkcionalizaciju mogu raditi 24/7/365 pod punim opterećenjem. Ovisno o vašem procesu i proizvodnom pogonu, naši ultrasonikatori se mogu raditi u serijskom ili kontinuiranom in-line načinu rada. Različiti dodaci kao što su sonotrode (ultrazvučne sonde), buster rogovi, protočne ćelije i reaktori su lako dostupni.
Kontaktirajte nas sada da dobijete više tehničkih informacija, naučnih studija, protokola i ponudu za naše ultrazvučne nano-disperzijske sisteme! Naše dobro obučeno osoblje sa dugogodišnjim iskustvom rado će s vama razgovarati o vašoj nano aplikaciji!

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: