Spolehlivá disperze nanočástic pro průmyslové aplikace
Vysoce výkon ultrazvuku může účinně a spolehlivě rozbíjet částice aglomeráty a dokonce rozkládat primární částice. Vzhledem k jeho vysoce výkonnému disperznímu výkonu se používají ultrazvukové sondy jako upřednostňovaná metoda k vytvoření homogenních nanočásticových suspenzí.
Spolehlivá disperze nanočástic ultrazvukem
Mnoho průmyslových odvětví vyžaduje přípravu suspenzí, které jsou naložené nanočástice. Nanočástice jsou pevné látky o velikosti částic menší než 100nm. Vzhledem k velikosti minutové částice nanočástice vyjadřují jedinečné vlastnosti, jako je výjimečná pevnost, tvrdost, optické vlastnosti, tažnost, odolnost proti UV záření, vodivost, elektrické a elektromagnetické (EM) vlastnosti, antikoroznost, odolnost proti poškrábání a další mimořádné vlastnosti.
Vysokointenzivný, nízkofrekvenční ultrazvuk vytváří intenzivní akustickou kavitaci, která se vyznačuje extrémními podmínkami, jako jsou smyk, velmi vysoké tlakové a teplotní diferenciály a turbulence. Tyto kavitační síly urychlují částice způsobující kolize mezi částicemi a následně roztříšcení částic. V důsledku toho jsou získány nanostrukturované materiály s úzkou křivkou velikosti částic a rovnoměrným rozložením.
Ultrazvukové disperzní zařízení je vhodné k léčbě jakéhokoli druhu nanomateriálů ve vodě a organických rozpouštědlech s nízkými až velmi vysokými viskozitami.

Průmyslová instalace ultrazvukových dispergátorů (2x UIP1000hdT) pro zpracování nanočástic a nanotrubiček v nepřetržitém in-line režimu.
- nanočástice
- ultrajemné částice
- nanotrubičky
- nanokrystaly
- nanokompozity
- nanovlákna
- kvantové tečky
- nanoplately, nanoplaty
- nanorody, nanovodiči
- 2D a 3D nanostruktury
Ultrazvuková disperze uhlíkových nanotrubiček
Ultrazvukové dispergátory jsou široce používány pro účely dispergování uhlíkových nanotrubiček (CNT). Sonikace je spolehlivá metoda pro odmašení a rozptýlení jednostěnných uhlíkových nanotrubiček (SWCNT) i vícestěnných uhlíkových nanotrubiček (MWCNT). Například za účelem vytvoření vysoce vodicího termoplastického polymeru byla vysoce čistota (> 95%) nanocyl® 3100 (MWCNT; vnější průměr 9,5 nm; čistota 95 +%) ultrazvukem rozptýlena hielscherem UP200S po dobu 30 minut. Ultrazvukem dispergované Nanocyl® 3100 MWCNT v koncentraci 1% w / w v epoxidové pryskyřici vykazovaly vynikající vodivost cca. 1,5 × 10-2 S / m.
Ultrazvuková disperze niklových nanočástic
Nanočástice niklu mohou být úspěšně produkovány prostřednictvím ultrazvukem asibilované syntézy redukce hydrazinu. Cesta syntézy redukce hydrozinu umožňuje tp připravit čistě kovový niklový nanočástic s kulovým tvarem chemickou redukcí chloridu niklu hydrazinem. Výzkumná skupina Adám prokázala, že ultrazvuku – pomocí Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – byl schopen udržet průměrnou primární krystalitovou velikost (7-8 nm) nezávisle na aplikované teplotě, zatímco použití intenzivních a kratších zvukových period by mohlo snížit solvodynamické průměry sekundárních agregovaných částic ze 710 nm na 190 nm při absenci povrchově aktivní hmoty. Nejvyšší kyselost a katalytická aktivita byly měřeny pro nanočástice připravené mírným (výstupním výkonem 30 W) a kontinuální ultrazvukovou léčbou. Katalytické chování nanočástic bylo testováno v reakci suzuki-miyaura na křížové spojení na pět vzorků připravených konvenčními i ultrazvukovými způsoby. Ultrazvukem připravené katalyzátory obvykle vedly lépe a nejvyšší katalytická aktivita byla měřena nad nanočásticemi připravenými pod kontinuální ultrazvukou s nízkým výkonem (30 W).
Ultrazvuková léčba měla zásadní vliv na agregační tendenci nanočástic: defragmentační vliv zničených dutin kavitace s intenzivním přenosem hmoty by mohl překonat atraktivní elektrostatické zničené kavitační dutiny s intenzivním přenosem hmoty by mohl překonat atraktivní elektrostatické a van der Waals síly mezi částicemi.
(viz Adám et al. 2020)

Sonostace – Ultrazvukový disperzní systém s míchadlo, nádrží a čerpadlem. SonoStation je pohodlné nastavení připravené k sonikátu pro střední a větší objemy
Ultrazvuková syntéza nanočástic wollastonitu
Wollastonit je minerál inosilicate vápeného s chemickým vzorcem CaSiO3 Wollastonit je široce používán jako součást pro výrobu cementu, skla, cihel a dlaždic ve stavebnictví, jako tok při lití oceli, stejně jako přísada při výrobě nátěrů a barev. Například wollastonit poskytuje výztuž, kalení, nízkou absorpci oleje a další vylepšení. Pro získání vynikajících výztužných vlastností wollastonitu je nezbytná nanebevšeznam deaglomerace a rovnoměrná disperze.
Dordane a Doroodmand (2021) ve svých studiích prokázali, že ultrazvuková disperze je velmi důležitým faktorem, který významně ovlivňuje velikost a morfologii nanočástic wollastonitu. Pro vyhodnocení přínosu ultrazvuku na nano-disperze wollastonitu výzkumný tým syntetizoval nanočástice wollastonitu s aplikací vysoce výkonných ultrazvuků a bez ní. Pro své ultrazvukové studie vědci použili ultrazvukový procesor UP200H (Hielscher Ultrazvuk) s frekvencí 24 kHz po dobu 45,0 min. Výsledky ultrazvukové nano-disperze jsou uvedeny v SEM s vysokým rozlišením níže. Sem obraz jasně ukazuje, že vzorek wollastonitu před ultrazvukovou léčbou je aglomerován a agregován; po použití ultrazvuku UP200H je průměrná velikost částic wollastonitu cca. 10nm. Studie ukazuje, že ultrazvuková disperze je spolehlivá a účinná technika pro syntézu nanočástic wollastonitu. Průměrná velikost nanočástic může být řízena úpravou ultrazvukových parametrů zpracování.
(viz Dordane a Doroodmand, 2021)

SEM obrazy nanočástic wollastonitu (A) před a (B) po ultrazvuku pomocí Ultrazvuková Processor UP200H za 45,0 min.
Studie a obrázek: ©Dordane a Doroodmand, 2021.
Ultrazvuková disperze nanofilleru
Sonikace je všestranná metoda k rozptýlení a deaglomeraci nanofillerů v kapalinách a kalech, např. Proto je sonifikace široce používána jako vysoce účinná disperzní metoda v R&D a průmyslová výroba.
Zanghellini a kol. (2021) zkoumal ultrazvukovou disperzní techniku pro nanofillery v epoxidové pryskyřici. Mohl prokázat, že sonikace byla schopna rozptýlit malé a vysoké koncentrace nanofillerů do polymerní matrice.
Při porovnání různých formulací vykazovala oxidovaná CNT 0,5 wt% nejlepší výsledky ze všech sonikovaných vzorků a odhalila velikostní rozložení většiny aglomerátů ve srovnatelném rozmezí se třemi vzorky vyrobenými v rolovací mlýně, dobrou vazbu na tužidlo, vytvoření perkolační sítě uvnitř disperze, která ukazuje na stabilitu proti sedimentaci a tím i na správnou dlouhodobou stabilitu. Vyšší množství plniva vykazovalo podobné dobré výsledky, ale také tvorbu výraznějších vnitřních sítí a poněkud větších aglomerátů. Dokonce i uhlíková nanovlákna (CNF) by mohla být úspěšně rozptýlena pomocí ultrazvuku. Přímého amerického rozptylu nanofillerů v kalicích systémech bez dalších rozpouštědel bylo úspěšně dosaženo, a lze jej tedy vnít jako použitelnou metodu jednoduché a přímé disperze s potenciálem průmyslového použití. (viz Zanghellini et al., 2021)

Srovnání různých nanovláken rozptýlených v tužidla pomocí ultrazvuku typu sondy): a) 0,5 wt% uhlíkového nanovlákna CNF ; b 0,5 wt% CNToxid; c 0,5 wt% uhlíkové nanotrubiky CNT ; d 0,5 wt% CNT částečně rozptýlené.
Studie a obrázek: ©Zanghellini et al., 2021
Ultrazvuková disperze nanočástic – Vědecky prokázané nadřazeností
Výzkum ukazuje v mnoha sofistikovaných studiích, že ultrazvuková disperze je jednou z vynikajících technik deaglomerace a distribuce nanočástic i při vysoké koncentraci v kapalinách. Například Vikash (2020) zkoumal rozptyl vysokého zatížení nano-oxidu křemičitého ve viskózních kapalinách pomocí ultrazvukového dispergátoru Hielscher UP400S. Ve své studii dospěl k závěru, že "stabilní a rovnoměrné disperze nanočástic lze dosáhnout pomocí ultrasonického zařízení při vysokém pevném zatížení ve viskózních kapalinách". [Vikash, 2020]
- dispergační
- deaglomeraci
- Rozpad / frézování
- Snížení velikosti částic
- Syntéza a srážení nanočástic
- Funkce povrchu
- Modifikace částic
Vysoce výkonné ultrazvukové procesory pro rozptyl nanočástic
Hielscher Ultrasonics je váš důvěryhodný dodavatel pro spolehlivé vysoce výkonné ultrazvukové zařízení od laboratoře a pilota až po plně průmyslové systémy. Hielscher Ultrazvuk’ zařízení mají sofistikovaný hardware, chytrý software a vynikající uživatelskou přívětivost – navrženo a vyrobeno v Německu. Hielscherovy robustní ultrazvukové stroje pro disperzi, deaglomeraci, syntézu a funkcionalizaci nanočástic mohou být provozovány 24/7/365 při plném zatížení. V závislosti na vašem procesu a vašem výrobním zařízení mohou být naše ultrasonicators provozovány v dávkovém nebo nepřetržitém in-line režimu. K dispozici jsou různé příslušenství, jako jsou sonotrody (ultrazvukové sondy), posilovací rohy, průtokové buňky a reaktory.
Kontaktujte nás nyní a získejte více technických informací, vědeckých studií, protokolů a citace pro naše ultrazvukové nano-disperzní systémy! Naši dobře vyškolení a dlouholetí zaměstnanci s vámi rádi prodiskutuje vaši nano-aplikaci!
Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators:
Hromadná dávka | průtok | Doporučené Devices |
---|---|---|
1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
10 až 2000ml | 20 až 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
00,1 až 20L | 00,2 až 4 litry / min | UIP2000hdT |
10 až 100L | 2 až 10 l / min | UIP4000hdT |
na | 10 až 100L / min | UIP16000 |
na | větší | hrozen UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptej se nás!
Literatura / Reference
- Adám, Adele Anna; Szabados, M.; Varga, G.; Papp, Á.; Musza, K.; Kónya, Z.; Kukovecz, Á.; Sipos, P.; Pálinkó, I. (2020): Ultrasound-Assisted Hydrazine Reduction Method for the Preparation of Nickel Nanoparticles, Physicochemical Characterization and Catalytic Application in Suzuki-Miyaura Cross-Coupling Reaction. Nanomaterials 10(4), 2020.
- Siti Hajar Othman, Suraya Abdul Rashid, Tinia Idaty Mohd Ghazi, Norhafizah Abdullah (2012): Dispersion and Stabilization of Photocatalytic TiO2 Nanoparticles in Aqueous Suspension for Coatings Applications. Journal of Nanomaterials, Vol. 2012.
- Vikash, Vimal Kumar (2020): Ultrasonic-assisted de-agglomeration and power draw characterization of silica nanoparticles. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 65, 2020.
- Zanghellini,B.; Knaack,P.; Schörpf, S.; Semlitsch, K.-H.; Lichtenegger, H.C.; Praher, B.; Omastova, M.; Rennhofer, H. (2021): Solvent-Free Ultrasonic Dispersion of Nanofillers in Epoxy Matrix. Polymers 2021, 13, 308.
- Jeevanandam J., Barhoum A., Chan Y.S., Dufresne A., Danquah M.K. (2918): Review on nanoparticles and nanostructured materials: history, sources, toxicity and regulations. Beilstein Journal of Nanotechnology Vol. 9, 2018. 1050-1074.
- Guadagno, Liberata; Raimondo, Marialuigia; Lafdi, Khalid; Fierro, Annalisa; Rosolia, Salvatore; and Nobile, Maria Rossella (2014): Influence of Nanofiller Morphology on the Viscoelastic Properties of CNF/Epoxy Resins. Chemical and Materials Engineering Faculty Publications 9, 2014.
Fakta Worth Knowing
Co jsou nanostrukturované materiály?
Nanostruktura je definována, pokud je alespoň jeden rozměr systému menší než 100nm. Jinými slovy, nanostruktura je struktura charakterizovaná její střední velikostí mezi mikroskopickým a molekulárním měřítkem. Aby bylo možné správně popsat rozlišující nanostruktury, je nutné rozlišovat mezi počtem rozměrů v objemu objektu, které jsou na nanoměřítku.
Níže naleznete několik důležitých termínů, které odrážejí specifické vlastnosti nano-strukturovaných materiálů:
Nanoměřítka: Přibližně 1 až 100 nm rozsah velikostí.
Nanomateriál: Materiál s vnitřními nebo vnějšími strukturami v rozměru nanoměřítka. Termíny nanočástice a ultrajemné částice (UFP) se často používají synonymně, i když ultrajemné částice mohou mít velikost částic, která sahá do rozsahu mikrometrů.
Nano-objekt: Materiál, který má jeden nebo více periferních rozměrů nanoměřítka. Nanočástice: Nanonárodek se třemi vnějšími rozměry nanoměřítka
Nanovlákenné: Pokud jsou v nanomateriálu přítomny dva podobné vnější rozměry v nanovláken a třetí větší rozměr, označuje se jako nanovlákenné.
Nanokompatit: Vícefázová struktura s alespoň jednou fází rozměru nanoměřítka.
Nanostruktura: Složení vzájemně propojených součástí v oblasti nanoměřítka.
Nanostrukturované materiály: Materiály obsahující vnitřní nebo povrchovou nanostrukturu.
(viz Jeevanandam et al., 2018)

Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od Laboratoř na průmyslové velikosti.