Spolehlivá disperze nanočástic pro průmyslové aplikace

Vysoce výkonná ultrazvuku může účinně a spolehlivě rozbít aglomeráty částic a dokonce rozložit primární částice. Díky svému vysoce výkonnému disperznímu výkonu se ultrazvuky typu sondy používají jako preferovaná metoda pro vytváření homogenních suspenzí nanočástic.

Spolehlivá disperze nanočástic ultrazvukem

Mnoho průmyslových odvětví vyžaduje přípravu suspenzí, které jsou naložené nanočásticemi. Nanočástice jsou pevné látky s velikostí částic menší než 100 nm. Díky nepatrné velikosti částic vyjadřují nanočástice jedinečné vlastnosti, jako je výjimečná pevnost, tvrdost, optické vlastnosti, tažnost, odolnost proti UV záření, vodivost, elektrické a elektromagnetické (EM) vlastnosti, antikorozní odolnost, odolnost proti poškrábání a další mimořádné vlastnosti.
Ultrazvuk s vysokou intenzitou a nízkou frekvencí vytváří intenzivní akustickou kavitaci, která se vyznačuje extrémními podmínkami, jako jsou smykové síly, velmi vysoké tlakové a teplotní rozdíly a turbulence. Tyto kavitační síly urychlují částice, což způsobuje srážky mezi částicemi a následně roztříštění částic. V důsledku toho jsou získány nanostrukturované materiály s úzkou křivkou velikosti částic a rovnoměrnou distribucí.
Ultrazvukové dispergační zařízení je vhodné pro zpracování všech druhů nanomateriálů ve vodě a organických rozpouštědlech s nízkou až velmi vysokou viskozitou.

Ultrazvuková disperze uhlíkových nanotrubic

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.

Ultrazvuková disperze nanočástic niklu

Nanočástice niklu lze úspěšně vyrobit ultrazvukem získanou syntézou redukce hydrazinu. Cesta syntézy redukce hydrazinu umožňuje připravit čistou nanočástici kovového niklu kulovitého tvaru chemickou redukcí chloridu nikelnatého hydrazinem. Výzkumná skupina Adám prokázala, že ultrazvuku – Pomocí tlačítka Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – byl schopen udržet průměrnou velikost primárního krystalitu (7–8 nm) nezávisle na aplikované teplotě, zatímco použití intenzivních a kratších sonikačních období by mohlo snížit solvodynamické průměry sekundárních, agregovaných částic ze 710 nm na 190 nm v nepřítomnosti jakékoli povrchově aktivní látky. Nejvyšší kyselost a katalytická aktivita byla naměřena u nanočástic připravených jemným (výstupní výkon 30 W) a kontinuálním ultrazvukovým ošetřením. Katalytické chování nanočástic bylo testováno v Suzuki-Miyaura cross-coupling reakci na pěti vzorcích připravených konvenčním i ultrazvukovým způsobem. Ultrazvukem připravené katalyzátory obvykle fungovaly lépe a nejvyšší katalytická aktivita byla měřena na nanočásticích připravených za kontinuální sonikace s nízkým výkonem (30 W).
Ultrazvukové ošetření mělo zásadní vliv na agregační tendenci nanočástic: defragmentační vliv zničených kavitačních dutin s intenzivním přenosem hmoty mohl překonat přitažlivou elektrostatiku zničených kavitačních dutin s intenzivním přenosem hmoty mohl překonat přitažlivé elektrostatické a van der Waalsovy síly mezi částicemi.
(srov. Adám et al. 2020)

Ultrazvuková syntéza nanočástic wollastonitu

Wollastonit je minerál z inosilikátu vápenatého s chemickým vzorcem CaSiO3 Wollastonit je široce používán jako složka pro výrobu cementu, skla, cihel a dlaždic ve stavebnictví, jako tavidlo při odlévání oceli a také jako přísada při výrobě nátěrů a barev. Například wollastonit poskytuje vyztužení, vytvrzování, nízkou absorpci oleje a další vylepšení. Pro získání vynikajících zpevňujících vlastností wollastonitu je nezbytná deaglomerace v nanoměřítku 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. Aby vyhodnotil příspěvek sonikace na nanodisperzi wollastonitu, výzkumný tým syntetizoval nanočástice wollastonitu s a bez použití vysoce výkonných ultrazvuků. Pro své pokusy se sonikací vědci použili ultrazvukový procesor UP200H (Hielscher Ultrasonics) s frekvencí 24 kHz po dobu 45,0 min. Výsledky ultrazvukové nanodisperze jsou uvedeny v níže uvedeném SEM s vysokým rozlišením. Obrázek SEM jasně ukazuje, že vzorek wollastonitu před ultrazvukovým ošetřením je aglomerován a agregován; po sonikaci pomocí ultrazvuku UP200H je průměrná velikost částic wollastonitu cca. 10 nm. Studie ukazuje, že ultrazvuková disperze je spolehlivou a účinnou technikou syntézy nanočástic wollastonitu. Průměrná velikost nanočástic může být řízena úpravou parametrů ultrazvukového zpracování.
(srov. Dordane a Doroodmand, 2021)

SEM snímky nanočástic wollastonitu (A) před a (B) po ultrazvuku pomocí ultrazvukový procesor UP200H pro 45.0 min.
Studie a obrázek: ©Dordane a Doroodmand, 2021.

Ultrazvuková disperze nanoplniva

Sonikace je všestranná metoda dispergace a deaglomerace nanoplniv v kapalinách a suspenzi, např. polymerech, epoxidových pryskyřicích, tvrdidlech, termoplastech atd. Proto je sonifikace široce používána jako vysoce účinná disperzní metoda v R&D a průmyslová výroba.
Zanghellini et al. (2021) zkoumali ultrazvukovou disperzní techniku pro nanoplniva v epoxidové pryskyřici. Mohl prokázat, že sonikace byla schopna dispergovat malé a vysoké koncentrace nanoplniv do polymerní matrice.
Při porovnávání různých formulací vykázal 0,5 hm% oxidovaný CNT nejlepší výsledky ze všech sonikovaných vzorků, odhalující distribuci velikosti většiny aglomerátů ve srovnatelném rozsahu se vzorky vyrobenými třemi válcovými mlýny, dobrou vazbu na tvrdidlo, tvorbu perkolační sítě uvnitř disperze, což ukazuje na stabilitu proti sedimentaci a tím i na správnou dlouhodobou stabilitu. Vyšší množství plniva vykázalo podobně dobré výsledky, ale také tvorbu výraznějších vnitřních sítí a také poněkud větších aglomerátů. Dokonce i uhlíková nanovlákna (CNF) by mohla být úspěšně dispergována pomocí sonikace. Podařilo se dosáhnout přímé US disperze nanoplniv v systémech tvrdidla bez přídavných rozpouštědel, a proto ji lze považovat za použitelnou metodu pro jednoduchou a přímočarou disperzi s potenciálem pro průmyslové využití. (srov. Zanghellini et al., 2021)
 

Srovnání různých nanoplniv dispergovaných v tužidle (ultrazvuk-US): (a) 0,5 hm. % uhlíkových nanovláken (CNF); (b) 0,5 hm. % CNToxi; (c) 0,5 hm. % uhlíkových nanotrubic (CNT); (d) 0,5 hm. % CNT polodispergovaných.
(Studie a obrázek: © Zanghellini et al., 2021)

Ultrazvuková disperze nanočástic – Vědecky dokázáno pro nadřazenost

Výzkum v mnoha sofistikovaných studiích ukazuje, že ultrazvuková disperze je jednou z nejlepších technik deaglomerace a distribuce nanočástic i při vysoké koncentraci v kapalinách. Například Vikash (2020) zkoumal dispergaci vysokých dávek nanokřemene ve viskózních kapalinách pomocí ultrazvukového dispergátoru Hielscher UP400S. Ve své studii dospěl k závěru, že “stabilní a rovnoměrné dispergace nanočástic lze dosáhnout pomocí ultrazvukového zařízení při vysokém zatížení pevnou látkou ve viskózních kapalinách.” [Vikash, 2020]

Vysoce výkonné ultrazvukové procesory pro disperzi nanočástic

Hielscher Ultrasonics je váš důvěryhodný dodavatel spolehlivých vysoce výkonných ultrazvukových zařízení od laboratorních a pilotních až po plně průmyslové systémy. Hielscher Ultrazvuk’ Zařízení se vyznačují sofistikovaným hardwarem, chytrým softwarem a vynikající uživatelskou přívětivostí – Navrženo a vyrobeno v Německu. Hielscherovy robustní ultrazvukové stroje pro disperzi, deaglomeraci, syntézu nanočástic a funkcionalizaci lze provozovat 24/7/365 při plném zatížení. V závislosti na vašem procesu a vašem výrobním zařízení mohou být naše ultrasonicators provozovány v dávkovém nebo kontinuálním in-line režimu. K dispozici je různé příslušenství, jako jsou sonotrody (ultrazvukové sondy), posilovací houkačky, průtokové články a reaktory.
Kontaktujte nás nyní a získejte více technických informací, vědeckých studií, protokolů a cenovou nabídku pro naše ultrazvukové nanodisperzní systémy! Náš dobře vyškolený personál s dlouholetými zkušenostmi s vámi rád prodiskutuje vaši nanoaplikaci!

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: