Ultrazvuková disperze nanomateriálů (nanočástic)
Nanomateriály se staly nedílnou součástí tak rozmanitých produktů, jako jsou vysoce výkonné materiály, opalovací krémy, výkonné nátěry nebo plastové kompozity. Ultrazvuková kavitace se používá k dispergaci částic nanometrické velikosti do kapalin, jako je voda, olej, rozpouštědla nebo pryskyřice.
Ultrazvuková disperze nanočástic
Použití ultrazvukové disperze nanočástic má mnohostranné účinky. Nejzřejmějším z nich je dispergace materiálů v kapalinách za účelem rozbití aglomerátů částic. Dalším procesem je použití ultrazvuku během syntézy nebo precipitace částic. Obecně to vede k menším částicím a vyšší rozměrové uniformitě. Ultrazvuková kavitace zlepšuje také přenos materiálu na povrchu částic. Tento efekt lze využít ke zlepšení povrchové funkcionalizace materiálů s vysokým specifickým povrchem.
Dispergace a zmenšování velikosti nanomateriálů
Nanomateriály, např. oxidy kovů, nanojíly nebo uhlíkové nanotrubice mají při vmíchání do kapaliny sklon k aglomeraci. Účinné prostředky deaglomerace a dispergace jsou zapotřebí k překonání vazebných sil po smáčení prášku. Ultrazvukové rozrušení aglomerátových struktur ve vodných i nevodných suspenzích umožňuje využít plný potenciál materiálů nanometrické velikosti. Výzkumy různých disperzí nanočásticových aglomerátů s proměnlivým obsahem pevné fáze prokázaly značnou výhodu ultrazvuku ve srovnání s jinými technologiemi, jako jsou rotor-statorové míchačky (např. ultra turrax), pístové homogenizátory nebo metody mokrého mletí, např. kuličkové mlýny či koloidní mlýny. Ultrazvukové systémy Hielscher lze provozovat při poměrně vysokých koncentracích pevných látek. Například u oxidu křemičitého bylo zjištěno, že rychlost rozpadu nezávisí na koncentraci pevné fáze až do 50% hmotnostních. Ultrazvuk lze použít k dispergaci vysoce koncentrovaných master-batchí – při zpracování kapalin s nízkou i vysokou viskozitou. Díky tomu je ultrazvuk dobrým řešením zpracování pro barvy a nátěrové hmoty na bázi různých médií, jako je voda, pryskyřice nebo olej.
Ultrazvukový homogenizátor UP400St pro nanodisperze
Ultrazvuková kavitace
Dispergace a deaglomerace pomocí sonikace jsou výsledkem ultrazvukové kavitace. Při působení ultrazvuku na kapaliny vedou zvukové vlny šířící se kapalinou ke střídání cyklů vysokého a nízkého tlaku. Tím vzniká mechanické namáhání, které působí proti přitažlivým silám mezi jednotlivými částicemi. Ultrazvuková kavitace v kapalinách vyvolává vysokorychlostní proudy kapaliny o rychlosti až 1000km/hr (cca 600mph). Tyto proudy tlačí kapalinu pod vysokým tlakem mezi částice a oddělují je od sebe. Menší částice jsou proudy kapaliny urychlovány a srážejí se vysokými rychlostmi. Díky tomu je ultrazvuk účinným prostředkem nejen pro dispergaci, ale také pro mletí částic mikronové a submikronové velikosti.
Syntéza / precipitace částic za pomoci ultrazvuku
Nanočástice lze vytvářet metodou zdola nahoru syntézou nebo precipitací. Sonochemie je jednou z nejstarších technik používaných k přípravě sloučenin nanometrické velikosti. Suslick ve své původní práci sonikoval Fe(CO)5 buď jako čistou kapalinu, nebo v roztoku deaclin a získal amorfní nanočástice železa o velikosti 10–20nm. Obecně platí, že přesycená směs začne z vysoce koncentrovaného materiálu vytvářet pevné částice. Sonikace zlepšuje míchání prekurzorů a zvyšuje přenos hmoty na povrchu částic. To vede k menší velikosti částic a vyšší uniformitě.
UIP2000hdT, výkonný 2kW sonikátor pro dispergaci SWCNT.
Povrchová funkcionalizace pomocí ultrazvuku
Mnoho nanomateriálů, jako jsou oxidy kovů, pigmenty pro inkjetové inkousty a tonery nebo plniva pro vysoce výkonné nátěry, vyžaduje povrchovou funkcionalizaci. Aby bylo možné funkcionalizovat celý povrch každé jednotlivé částice, je zapotřebí dobrá metoda dispergace. Po dispergaci jsou částice obvykle obklopeny hraniční vrstvou molekul přitahovaných k povrchu částice. Aby se nové funkční skupiny dostaly k povrchu částice, je třeba tuto hraniční vrstvu rozrušit nebo odstranit. Proudy kapaliny vznikající ultrazvukovou kavitací mohou dosahovat rychlostí až 1000km/hr. Toto namáhání pomáhá překonat přitažlivé síly a přenáší funkční molekuly k povrchu částice. Tento efekt se využívá v sonochemii, kde slouží ke zlepšení výkonu dispergovaných katalyzátorů.
Sonikace před měřením velikosti částic
Sonikace vzorků zlepšuje přesnost vašeho měření velikosti nebo morfologie částic. Nový SonoStep kombinuje ultrazvuk, míchání a čerpání vzorků v kompaktním provedení. Snadno se obsluhuje a lze jej použít k dodávání sonikovaných vzorků do analytických přístrojů, jako jsou analyzátory velikosti částic. Intenzivní sonikace pomáhá dispergovat aglomerované částice, což vede ke konzistentnějším výsledkům.Klikněte zde a přečtěte si více!
Ultrazvukové zpracování v laboratorním a výrobním měřítku
Ultrazvukové procesory a průtokové cely pro deaglomeraci a dispergaci jsou k dispozici pro laboratorní a výrobní úroveň. Průmyslové systémy lze snadno dovybavit pro provoz inline. Pro výzkum a vývoj procesů doporučujeme použít UIP1000hd (1 000 wattů).
Hielscher nabízí široký sortiment ultrazvukových přístrojů a příslušenství pro účinnou dispergaci nanomateriálů, např. v barvách, inkoustech a nátěrových hmotách.
- Kompaktní laboratorní přístroje o výkonu až 400 wattů.
Tyto přístroje se používají převážně pro přípravu vzorků nebo úvodní studie proveditelnosti a jsou k dispozici k pronájmu. - 500 a 1 000 a 2 000 wattové ultrazvukové procesory, jako je sada UIP1000hd s průtokovou celou a různými boostery a sonotrodami , mohou zpracovávat větší objemové proudy.
Takové přístroje se používají při optimalizaci parametrů (jako: amplituda, provozní tlak, průtok atd.) ve stolním nebo poloprovozním měřítku. - Ultrazvukové procesory o výkonu 2kW, 4kW, 10kW a 16kW a větší clustery několika takových jednotek dokážou zpracovávat výrobní objemové proudy téměř v jakémkoli rozsahu.
Stolní zařízení je k dispozici k pronájmu za výhodných podmínek pro provádění procesních zkoušek. Výsledky takových zkoušek lze lineárně škálovat na výrobní úroveň – čímž se snižuje riziko a náklady spojené s vývojem procesu. Rádi vám pomůžeme online, telefonicky nebo osobně. Naše adresy naleznete zde, nebo použijte níže uvedený formulář.
Následující tabulka vám poskytne představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů:
| Objem dávky | Průtok | Doporučené přístroje |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | cluster přístrojů UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Nanomateriály – základní informace
Nanomateriály jsou materiály o velikosti menší než 100nm. Rychle pronikají do receptur barev, inkoustů a nátěrových hmot. Nanomateriály spadají do tří širokých kategorií: oxidy kovů, nanojíly a uhlíkové nanotrubice. Nanočástice oxidů kovů zahrnují nanometrický oxid zinku, oxid titanu, oxid železa, oxid ceru a oxid zirkonia, jakož i směsné sloučeniny kovů, jako je oxid india a cínu a zirkonium a titan, jakož i směsné sloučeniny kovů, jako je oxid india a cínu. Tato drobná hmota má vliv na mnoho oborů, jako je fyzika, chemie a biologie. V barvách a nátěrových hmotách plní nanomateriály dekorativní požadavky (např. barva a lesk), funkční účely (např. vodivost, mikrobiální inaktivace) a zlepšují ochranu (např. odolnost proti poškrábání, UV stabilita) barev a nátěrových hmot. Uplatnění v nových recepturách barev a nátěrových hmot nacházejí zejména nanometrické oxidy kovů, jako jsou TiO2 a ZnO nebo oxid hlinitý, oxid ceričitý a oxid křemičitý , a nanometrické pigmenty.
Když se hmota zmenší, mění své charakteristiky, jako je barva a interakce s jinou hmotou, např. chemická reaktivita. Změna charakteristik je způsobena změnou elektronických vlastností. Povrch materiálu se zvětšuje díky zmenšení velikosti částic, a díky tomu může vyšší podíl atomů interagovat s jinou hmotou, např. s matricí pryskyřic.
Povrchová aktivita je klíčovým aspektem nanomateriálů. Aglomerace a agregace brání kontaktu povrchu s jinou hmotou. Pouze dobře dispergované nebo jednotlivě dispergované částice umožňují využít plný příznivý potenciál hmoty. Dobrá dispergace v důsledku toho snižuje množství nanomateriálů potřebné k dosažení stejných účinků. Protože většina nanomateriálů je stále poměrně drahá, má tento aspekt velký význam pro komercializaci produktových receptur obsahujících nanomateriály. V současnosti se mnoho nanomateriálů vyrábí suchým procesem. V důsledku toho je třeba částice vmíchat do kapalných receptur. Právě zde tvoří většina nanočástic během smáčení aglomeráty. Zejména uhlíkové nanotrubice jsou velmi soudržné, což ztěžuje jejich dispergaci do kapalin, jako je voda, ethanol, olej, polymer nebo epoxidová pryskyřice. Konvenční zpracovatelská zařízení, např. vysokosmykové nebo rotor-statorové míchačky, vysokotlaké homogenizátory nebo koloidní a diskové mlýny, nedokážou dostatečně rozdělit nanočástice na samostatné částice. Zejména u malých částic o velikosti od několika nanometrů do několika mikronů je ultrazvuková kavitace velmi účinná při rozbíjení aglomerátů, agregátů a dokonce i primárních částic. Když se ultrazvuk používá k mletí vysoce koncentrovaných dávek, způsobují proudy kapaliny vznikající ultrazvukovou kavitací, že se částice navzájem srážejí rychlostmi až 1000km/h. Tím se rozrušují van der Waalsovy síly v aglomerátech a dokonce i v primárních částicích.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchací aplikace, dispergaci, emulgaci a extrakci v laboratorním, poloprovozním a průmyslovém měřítku.