Jak vyrobit nanokapaliny

Nanokapalina je uměle připravená kapalina, která se skládá ze základní kapaliny obsahující nanočástice. Pro syntézu nanokapalin je zapotřebí účinná a spolehlivá technika homogenizace a deaglomerace, která zajistí vysoký stupeň rovnoměrné disperze. Ultrazvukové dispergátory představují nadřazenou technologii pro výrobu nanokapalin s vynikajícími vlastnostmi. Ultrazvuková disperze vyniká účinností, rychlostí, jednoduchostí, spolehlivostí a uživatelskou přívětivostí.

Co jsou nanokapaliny?

Nanokapalina je kapalina obsahující částice nanometrické velikosti (≺100nm), běžně nazývané nanočástice. Nanočástice používané v nanokapalinách jsou obvykle tvořeny kovy, oxidy, karbidy nebo uhlíkovými nanotrubicemi. Tyto nanočástice se dispergují do základní kapaliny (např. vody, oleje atd.), aby vznikla uměle připravená koloidní suspenze, tj. nanokapalina. Nanokapaliny vykazují ve srovnání s materiálovými vlastnostmi základní kapaliny zlepšené termofyzikální vlastnosti, jako je tepelná vodivost, teplotní vodivost, viskozita a součinitele konvektivního přestupu tepla.
Běžnou aplikací nanokapalin je jejich použití jako chladicí kapaliny nebo chladiva. Přidáním nanočástic do konvenčních chladicích kapalin (jako je voda, olej, ethylenglykol, polyalfaolefin atd.) se zlepšují tepelné vlastnosti těchto konvenčních chladicích kapalin.

• chladicí kapaliny / kapaliny pro přenos tepla
• maziva
• biomedicínské použití

Výroba nanokapalin pomocí ultrazvukového homogenizátoru

Mikrostrukturu nanokapalin lze ovlivňovat a cíleně upravovat použitím nejvhodnější homogenizační technologie a procesních parametrů. Ultrazvuková disperze se osvědčila jako vysoce účinná a spolehlivá technika přípravy nanokapalin. Ultrazvukové dispergátory se používají ve výzkumu i v průmyslu k syntéze, mletí, dispergaci a homogenizaci nanočástic s vysokou rovnoměrností a úzkou distribucí velikosti částic. Mezi procesní parametry syntézy nanokapalin patří vstupní ultrazvuková energie, ultrazvuková amplituda, teplota, tlak a kyselost. Dále jsou důležitými faktory druhy a koncentrace reaktantů a aditiv i pořadí, v jakém se aditiva přidávají do roztoku.
Je dobře známo, že vlastnosti nanokapalin silně závisejí na struktuře a tvaru nanomateriálů. Proto je dosažení kontrolovatelných mikrostruktur nanokapalin hlavním faktorem, který přispívá k funkčnosti a kvalitě nanokapalin. Použití optimalizovaných parametrů ultrazvukové sonikace, jako je amplituda, tlak, teplota a vstupní energie (Ws/mL), je klíčem k výrobě stabilní, rovnoměrné a vysoce kvalitní nanokapaliny. Ultrazvukovou sonikaci lze úspěšně použít k deaglomeraci a dispergaci částic na jednotlivě dispergované nanočástice. S menší velikostí částic se zvyšuje Brownův pohyb (Brownova rychlost) i interakce mezi částicemi, což vede ke stabilnějším nanokapalinám. Sonikátory Hielscher umožňují přesné řízení všech důležitých procesních parametrů, mohou pracovat nepřetržitě při vysokých amplitudách (24/7/365) a jsou vybaveny automatickým protokolováním dat pro snadné vyhodnocení všech sonikačních běhů.

Ultrazvukově dispergovaný oxid křemičitý nanometrické velikosti

Stabilita nanokapalin zlepšená sonikací

U nanokapalin vede aglomerace nanočástic nejen k usazování a ucpávání mikrokanálků, ale také ke snižování tepelné vodivosti nanokapalin. Ultrazvuková deaglomerace a disperze se široce uplatňují v materiálových vědách i v průmyslu. Sonikace je osvědčená technika přípravy stabilních nanodisperzí s rovnoměrnou distribucí nanočástic a vysokou stabilitou. Proto jsou ultrazvukové dispergátory Hielscher preferovanou technologií, pokud jde o výrobu nanokapalin.

Ultrazvukově vyráběné nanokapaliny ve výzkumu

Výzkum zkoumal účinky ultrazvukové sonikace a ultrazvukových parametrů na vlastnosti nanokapalin. Přečtěte si více o vědeckých poznatcích o ultrazvukové přípravě nanokapalin.

Vliv ultrazvuku na přípravu nanokapaliny Al2O3

Noroozi et al. (2014) zjistili, že při „vyšší koncentraci částic došlo v důsledku sonikace k většímu zvýšení teplotní vodivosti nanokapalin. Navíc bylo vyšší stability a většího zvýšení teplotní vodivosti dosaženo sonikací nanokapalin sonikátorem se sonotrodou o vyšším výkonu před měřením.“ Zvýšení teplotní vodivosti bylo větší u menších NP. Je to proto, že menší částice mají vyšší poměr efektivního povrchu k objemu. Menší částice tak pomohly vytvořit stabilní nanokapalinu a sonikace ultrazvukovou sonotrodou měla podstatný vliv na teplotní vodivost. (Noroozi et al. 2014)

Postup krok za krokem pro ultrazvukovou výrobu nanokapalin Al2O3-voda

Nejprve určete hmotnost nanočástic Al2O3 vážením na digitální elektronické váze. Poté postupně přidávejte nanočástice Al2O3 do odvážené destilované vody a směs Al2O3-voda míchejte. Směs nepřetržitě sonikujte po dobu 1h ultrazvukovým přístrojem se sonotrodou UP400S (400W, 24kHz, viz obr. vlevo), abyste dosáhli rovnoměrné disperze nanočástic v destilované vodě. Nanokapaliny lze připravit v různých podílech (0,1%, 0,5% a 1%). Nejsou nutné žádné povrchově aktivní látky ani změny pH. (Isfahani et al., 2013)

Ultrazvukově laděné vodné nanokapaliny ZnO

Elcioglu et al. (2021) ve své vědecké studii uvádějí, že „ultrazvuková sonikace je zásadním procesem pro správnou disperzi nanočástic v základní kapalině a stabilitu, jakož i pro optimální vlastnosti pro reálné aplikace.“ K výrobě nanokapalin ZnO / voda použili sonikátor UP200Ht. Sonikace měla zřetelný vliv na povrchové napětí vodné nanokapaliny ZnO. Zjištění výzkumníků vedou k závěru, že povrchové napětí, tvorbu nanofilmu a další související vlastnosti jakékoli nanokapaliny lze za vhodných podmínek ultrazvukové sonikace upravovat a ladit.

Ultrazvukové homogenizátory pro výrobu nanokapalin

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové dispergátory pro všechny druhy homogenizačních a deaglomeračních aplikací. Pokud jde o výrobu nanokapalin, je zásadní přesné řízení sonikace a spolehlivé ultrazvukové ošetření suspenze nanočástic.
Procesory Hielscher Ultrasonics vám poskytují plnou kontrolu nad všemi důležitými procesními parametry, jako je vstupní energie, intenzita ultrazvuku, amplituda, tlak, teplota a doba zdržení. Díky tomu můžete parametry nastavit na optimalizované podmínky, což následně vede k vysoce kvalitním nanokapalinám.

• Pro jakýkoli objem? kapacitu: Hielscher nabízí sonikátory a široké portfolio příslušenství. To umožňuje sestavit ideální ultrazvukový systém pro vaši aplikaci a výrobní kapacitu. Od malých lahviček s mililitry až po velkoobjemové proudy o tisících galonů za hodinu nabízí Hielscher vhodné ultrazvukové řešení pro váš proces.
• Robustnost: Naše ultrazvukové systémy jsou robustní a spolehlivé. Všechny sonikátory Hielscher jsou konstruovány pro provoz 24/7/365 a vyžadují velmi malou údržbu.
• Uživatelská přívětivost: Propracovaný software našich ultrazvukových přístrojů umožňuje předvolbu a uložení nastavení sonikace pro jednoduchou a spolehlivou sonikaci. Intuitivní menu je snadno přístupné přes digitální barevný dotykový displej. Vzdálené ovládání přes prohlížeč vám umožňuje obsluhu a monitorování prostřednictvím libovolného internetového prohlížeče. Automatický záznam dat ukládá procesní parametry každého sonikačního běhu na vestavěnou SD kartu.

Níže uvedená tabulka uvádí přibližnou zpracovatelskou kapacitu našich sonikátorů: