Hielscher Ultrasonics
Biće nam drago da razgovaramo o vašem procesu.
Pozovite nas: +49 3328 437-420
Pošaljite nam mail: info@hielscher.com

Ultrazvučna sinteza nanodijamanata

  • Zbog svoje intenzivne kavitacijske sile, moćni ultrazvuk je obećavajuća tehnika za proizvodnju mikronskih i nano-veličina dijamanata od grafita.
  • Mikro- i nano-kristalni dijamanti mogu se sintetizirati soniciranjem suspenzije grafita u organskoj tekućini pri atmosferskom pritisku i sobnoj temperaturi.
  • Ultrazvuk je također koristan alat za naknadnu obradu sintetiziranih nano dijamanata, budući da ultrazvuk vrlo efikasno raspršuje, deaglomerira i funkcionalizira nano čestice.

Ultrazvuk za tretman nanodijamantom

Nanodijamanti (koji se nazivaju i detonacijski dijamanti (DND) ili ultradisperzni dijamanti (UDD)) su poseban oblik ugljikovih nanomaterijala koji se odlikuju jedinstvenim karakteristikama – kao što je npr. rešetka struktura, velika je površine, kao i jedinstveni optički i magnetna svojstva – i izuzetne primjene. Svojstva ultradisperznih čestica čine ove materijale inovativnim spojevima za stvaranje novih materijala sa izvanrednim funkcijama. Veličina dijamantskih čestica u čađi je oko 5 nm.

Ultrazvučna sinteza nanodijamanata

Pod intenzivnim silama, kao što su sonikacija ili detonacija, grafit se može pretvoriti u dijamant.

Zahtjev za informacijama




Obratite pažnju na naše Politika privatnosti.




Ultrazvučno sintetizirani nanodijamanti

Sinteza dijamanata je važno istraživačko polje u pogledu naučnih i komercijalnih interesa. Uobičajeni postupak za sintezu mikrokristalnih i nanokristalnih dijamantskih čestica je tehnika visokog pritiska i visoke temperature (HPHT). Ovom metodom stvaraju se potrebni procesni pritisak od desetina hiljada atmosfera i temperature veće od 2000K za proizvodnju glavnog dijela svjetske ponude industrijskog dijamanta. Za transformaciju grafita u dijamant, općenito su potrebni visoki pritisci i visoke temperature, a katalizatori se koriste za povećanje prinosa dijamanta.
Ovi zahtjevi potrebni za transformaciju mogu se vrlo efikasno generirati upotrebom Ultrazvuk velike snage (= ultrazvuk niske frekvencije, visokog intenziteta):

ultrazvučna kavitacija

Ultrazvuk u tečnostima izaziva lokalno veoma ekstremne efekte. Prilikom ultrazvučne obrade tekućina visokog intenziteta, zvučni valovi koji se šire u tekući medij rezultiraju naizmjeničnim ciklusima visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje), sa brzinama koje zavise od frekvencije. Tokom ciklusa niskog pritiska, ultrazvučni talasi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mehuriće ili praznine u tečnosti. Kada mjehurići dostignu zapreminu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju, oni se snažno kolabiraju tokom ciklusa visokog pritiska. Ovaj fenomen se naziva kavitacija. Tokom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (cca. 5.000 K) i pritisci (cca. 2.000 atm). Implozija kavitacionog mjehura također rezultira mlazovima tekućine brzine do 280 m/s. (Suslick 1998) Očigledno je da mikro- i nano-kristalna dijamanti se mogu sintetizirati u polju ultrazvuka kavitacija.

U ovom videu prikazujemo vam ultrazvučni sistem od 2 kilovata za inline rad u ormaru koji se može pročišćavati. Hielscher isporučuje ultrazvučnu opremu za gotovo sve industrije, kao što su kemijska industrija, farmaceutska, kozmetička, petrohemijska procesa, kao i za procese ekstrakcije na bazi rastvarača. Ovaj prozirni ormarić od nehrđajućeg čelika dizajniran je za rad u opasnim područjima. U tu svrhu, zapečaćeni ormar može biti ispušen od strane kupca dušikom ili svježim zrakom kako bi se spriječio ulazak zapaljivih plinova ili para u ormar.

2x ultrasonikatora od 1000 W u kućištu koji se može pročišćavati za instalaciju u opasnim područjima

Video Thumbnail

Ultrazvučni postupak za sintezu nanodijamanata

De facto, studija Khachatryan et al. (2008) pokazuju da se mikrokristali dijamanata mogu sintetizirati i ultrazvučnom obradom suspenzije grafita u organskoj tekućini pri atmosferskom tlaku i sobnoj temperaturi. Kao kavitacijski fluid, izabrana je formula aromatičnih oligomera zbog niskog pritiska zasićene pare i visoke temperature ključanja. U ovoj tečnosti, poseban čisti grafitni prah – sa česticama u rasponu između 100-200 µm – suspendovan. U eksperimentima Kachatryan et al., odnos čvrstoće i tečnosti bio je 1:6, gustina kavitacione tečnosti bila je 1,1 g cm-3 na 25°C. Maksimalni ultrazvučni intenzitet u sonoreaktoru bio je 75-80W cm-2 odgovara amplitudi zvučnog pritiska od 15-16 bara.
Postignuto je približno 10% konverzije grafita u dijamant. Dijamanti su bili skoro mono-disperzna sa vrlo oštrom, dobro dizajniranom veličinom u rasponu od 6 ili 9 μm ± 0,5 μm, sa kubičnim, kristalno morfologija i visoka čistoća.

Ultrazvučno sintetizirani dijamanti (SEM slike): ultrazvuk velike snage pruža energiju potrebnu za indukciju nanodijamanata' sinteza

SEM slike ultrazvučno sintetizovanih dijamanata: slike (a) i (b) prikazuju seriju uzoraka 1, (c) i (d) seriju uzoraka 2. [Khachatryan et al. 2008]

The troškovi mikro- i nanodijamanata proizvedenih ovom metodom procjenjuje se na konkurentan sa postupkom visokog pritiska i visoke temperature (HPHT). Ovo čini ultrazvuk inovativnom alternativom za sintezu mikro- i nano-dijamanata (Khachatryan et al. 2008), posebno pošto se proces proizvodnje nanodijamanata može optimizirati daljim istraživanjima. Mnogi parametri kao što su amplituda, pritisak, temperatura, kavitacioni fluid i koncentracija moraju se precizno ispitati da bi se otkrila slatka tačka ultrazvučne sinteze nanodijamanta.
Po rezultatima postignutim u sintezi nanodijamanata, dalje ultrazvučno generiranih kavitacija nudi potencijal za sintezu drugih važnih jedinjenja, kao što su kubni bor nitrid, ugljen nitrid itd. (Khachatryan et al. 2008.)
Nadalje, čini se da je moguće stvoriti dijamantske nanožice i nanošipke od višeslojnih ugljičnih nanocijevi (MWCNT) pod ultrazvučnim zračenjem. Dijamantske nanožice su jednodimenzionalni analozi masivnog dijamanta. Zbog svog visokog modula elastičnosti, omjera čvrstoće i težine i relativne lakoće s kojom se njegove površine mogu funkcionalizirati, dijamant se smatra optimalnim materijalom za nanomehaničke dizajne. (Sun et al. 2004.)

Ultrazvučno raspršivanje nanodijamanata

Kao što je već opisano, deaglomeracija i ravnomjerna distribucija veličine čestica u mediju su bitni za uspješnu eksploataciju jedinstvenih karakteristika nanodijamanata.
disperzija i Deaglomeracija ultrazvukom su rezultat ultrazvučnog kavitacija. Kada se tečnosti izlažu ultrazvuku, zvučni talasi koji se šire u tečnost rezultiraju naizmeničnim ciklusima visokog i niskog pritiska. Ovo primjenjuje mehanički stres na sile privlačenja između pojedinačnih čestica. Ultrazvučna kavitacija u tečnostima izaziva velike brzine mlaza tečnosti do 1000km/h (oko 600mph). Takvi mlazovi pritiskaju tečnost pod visokim pritiskom između čestica i odvajaju ih jedne od drugih. Manje čestice se ubrzavaju sa mlazom tečnosti i sudaraju se pri velikim brzinama. Ovo čini ultrazvuk efikasnim sredstvom za raspršivanje, ali i za Glodanje čestica mikronske i submikronske veličine.
Na primjer, nanodijamanti (prosječne veličine oko 4 nm) i polistiren mogu se dispergirati u cikloheksanu kako bi se dobio poseban kompozit. U svojoj studiji, Chipara et al. (2010) pripremili su kompozite od polistirena i nanodijamanata, koji sadrže nanodijamante u rasponu između 0 i 25% težine. Da dobijem par disperzija, oni su sonicirali otopinu 60 minuta sa Hielscherovim UIP1000hd (1kW).

Ultrazvučno potpomognuta funkcionalizacija nanodijamanata

Za funkcionalizaciju kompletne površine svake čestice nano veličine, površina čestice mora biti dostupna za hemijsku reakciju. To znači da je potrebna ravnomjerna i fina disperzija jer su dobro raspršene čestice okružene graničnim slojem molekula privučenih na površinu čestice. Da bi se nove funkcionalne grupe dobile na površini nanodijamanata, ovaj granični sloj mora biti razbijen ili uklonjen. Ovaj proces lomljenja i uklanjanja graničnog sloja može se izvesti ultrazvukom.
Ultrazvuk uveden u tečnost stvara razne ekstremne efekte kao npr kavitacija, lokalno vrlo visoke temperature do 2000K i mlaznice tekućine do 1000km/h. (Suslick 1998) Ovim faktorima naprezanja sile privlačenja (npr. Van-der-Waalsove sile) mogu se savladati i funkcionalni molekuli se prenose na površinu čestice radi funkcionalizacije, npr. površine nanodijamanata.

Pod snažnim ultrazvučnim zračenjem (npr. sa Hielscherovim UIP2000hdT) postaje moguće efikasno sintetizirati, deaglomerirati i funkcionalizirati nanodijamante.

Šema 1: Grafički prikaz in situ deaglomeracije i površinske funkcionalizacije nanodijamanata (Liang 2011)

Eksperimenti sa tretmanom zvučne dezintegracije uz pomoć kuglica (BASD) pokazali su obećavajuće rezultate i za funkcionalizaciju površine nanodijamanata. Zbog toga su perle (npr. keramičke perle mikro veličine kao što su perle ZrO2) korištene za pojačavanje ultrazvučnog kavitacijski sile na čestice nanodijamanta. Do deaglomeracije dolazi zbog interpartikularnog sudara između čestica nanodijamanta i ZrO2 perle.
Zbog bolje dostupnosti površine čestica, za hemijske reakcije kao što su Boran redukcija, arilacija ili silanizacija, ultrazvučni ili BASD (bead-assisted zvučna dezintegracija) predtretman u svrhu dispergovanja se preporučuje. Ultrazvučnim Raspršivanje i Deaglomeracija hemijska reakcija može teći mnogo potpunije.

Kada se ultrazvuk velike snage, niske frekvencije uvede u tečni medij, nastaje kavitacija.

Ultrazvučna kavijacija rezultira ekstremnim razlikama temperature i pritiska i brzim mlazovima tečnosti. Zbog toga je ultrazvuk uspješna metoda obrade za primjene miješanja i mljevenja.

Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!

Pitajte za više informacija

Molimo koristite obrazac ispod da zatražite dodatne informacije o ultrazvučnim procesorima, sintezi nanodijamanata kao i srodnim aplikacijama i cijenama. Biće nam drago da razgovaramo o vašem procesu nanodijamanta sa vama i da vam ponudimo ultrazvučni sistem koji ispunjava vaše zahteve!









Molimo obratite pažnju na naše Politika privatnosti.





Literatura/Reference

  • Khachatryan, A. Kh. et al.: Transformacija grafita u dijamant izazvana ultrazvučnom kavitacijom. U: Diamond & Povezani materijali 17, 2008; pp931-936.
  • Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotničenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Aleksandr & Fisenko, A. & Bikov, I. & Barinov, A.. (2004): Eksperimentalna potvrda sinteze dijamanta u procesu kavitacije. Doklady Physics – DOKL PHYS. 49. 150-153.
  • Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, VN (2016): Ultrazvučna deagregacija nanodijamanta uz pomoć soli. ACS primijenjeni materijali & Interfejsi, 8(38), 25461–25468.
  • Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Sinteza i karakterizacija nanokristalnog dijamanta iz grafitnih pahuljica putem procesa potaknutog kavitacijom. Heliyon, svezak 5, broj 5. 2019.
  • Krueger, A.: Struktura i reaktivnost nanorazmjernog dijamanta. U: J Mater Chem 18, 2008; str. 1485-1492.
  • Liang, Y.: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Disertacija Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
  • Osawa, E.: Monodisperzne pojedinačne čestice nanodijamanta. U: Pure Appl Chem 80/7, 2008; str. 1365-1379.
  • Pramatarova, L. et al.: Prednost polimernih kompozita s detonacijskim nanodijamantnim česticama za medicinske primjene. U: O biomimetici; str. 298-320.
  • Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Dijamantske nanošipke iz ugljičnih nanocijevi. U: Napredni materijali 16/2004. str. 1849-1853.
  • Suslick, KS: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed. J. Wiley & Sinovi: New York; 26, 1998; str. 517-541.
  • Chipara, AC et al.: Toplotna svojstva nanodijamantnih čestica dispergiranih u polistirenu. HESTEC 2010.
  • El-Say, KM: Nanodijamanti kao sistem isporuke lijekova: primjena i perspektiva. U J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; str. 29-39.

nanodijamanti – Upotreba i aplikacije

Zrna nanodijamanta su nestabilna zbog svog zeta-potencijala. Zbog toga imaju veliku tendenciju formiranja agregata. Uobičajena primjena nanodijamanata je upotreba u abrazivima, alatima za rezanje i poliranje i hladnjakima. Druga potencijalna upotreba je primjena nanodijamanata kao nosača lijeka za farmaceutske aktivne komponente (usp. Pramatarova). By ultrasonication, prvo, nanodijamanti se mogu sintetizirati iz grafita, a drugo, nanodijamanti koji imaju veliku tendenciju aglomeracije mogu biti ravnomjerno raspršen u tečne medije (npr. za formulisanje sredstva za poliranje).

Biće nam drago da razgovaramo o vašem procesu.

Let's get in contact.