Ultralydsdispergering af nanomaterialer (nanopartikler)
Nanomaterialer er blevet en integreret bestanddel af så forskellige produkter som højtydende materialer, solcremer, højtydende belægninger og plastkompositter. Ultralydskavitation bruges til at dispergere partikler i nanostørrelse i væsker såsom vand, olie, opløsningsmidler eller harpikser.
Ultralydsdispergering af nanopartikler
Anvendelsen af ultralydsdispergering af nanopartikler har mange forskellige virkninger. Den mest åbenlyse er dispergering af materialer i væsker for at opbryde partikelagglomerater. En anden proces er anvendelse af ultralyd under partikelsyntese eller udfældning. Generelt fører dette til mindre partikler og større ensartethed i størrelsen. Ultralydskavitation forbedrer også stoftransporten ved partikeloverfladerne. Denne effekt kan bruges til at forbedre overfladens funktionalisering på materialer med et stort specifikt overfladeareal.
Dispergering og størrelsesreduktion af nanomaterialer
Nanomaterialer, f.eks. metaloxider, nanoler eller kulstofnanorør , har tendens til at danne agglomerater, når de blandes i en væske. Effektive metoder til deagglomerering og dispergering er nødvendige for at overvinde bindingskræfterne efter befugtning af pulveret. Ultralydens opbrydning af agglomeratstrukturerne i vandige og ikke-vandige suspensioner gør det muligt at udnytte det fulde potentiale i materialer i nanostørrelse. Undersøgelser af forskellige dispersioner af nanopartikulære agglomerater med varierende faststofindhold har vist den betydelige fordel ved ultralyd sammenlignet med andre teknologier såsom rotor-stator-blandere (f.eks. ultra turrax), stempelhomogenisatorer eller vådformalingsmetoder, f.eks. perlemøller eller kolloidmøller. Hielscher ultralydssystemer kan drives ved forholdsvis høje faststofkoncentrationer. For eksempel viste det sig for siliciumdioxid , at opbrydningshastigheden var uafhængig af faststofkoncentrationen op til 50% efter vægt. Ultralyd kan anvendes til dispergering af højkoncentrerede masterbatcher – med behandling af væsker med lav og høj viskositet. Dette gør ultralyd til en god behandlingsløsning til maling og belægninger baseret på forskellige medier såsom vand, harpiks eller olie.
Ultralydshomogenisator UP400St til nanodispersioner
Ultralydskavitation
Dispergering og deagglomerering ved sonikering er et resultat af ultralydskavitation. Når væsker udsættes for ultralyd, medfører de lydbølger, der udbreder sig i væsken, skiftevis højtryks- og lavtrykscyklusser. Dette påfører de tiltrækkende kræfter mellem de enkelte partikler en mekanisk belastning. Ultralydskavitation i væsker frembringer væskestråler med høje hastigheder på op til 1000km/hr (ca. 600mph). Sådanne stråler presser væske ind mellem partiklerne under højt tryk og adskiller dem fra hinanden. Mindre partikler accelereres af væskestrålerne og kolliderer ved høje hastigheder. Dette gør ultralyd til et effektivt middel til dispergering, men også til formaling af partikler i mikrometerstørrelse og under mikrometerstørrelse.
Ultralydsassisteret partikelsyntese / udfældning
Nanopartikler kan fremstilles nedefra og op ved syntese eller udfældning. Sonokemi er en af de tidligste teknikker, der blev brugt til at fremstille forbindelser i nanostørrelse. I sit oprindelige arbejde sonikerede Suslick Fe(CO)5 enten som ren væske eller i en deaclin-opløsning og opnåede amorfe jernnanopartikler med en størrelse på 10–20nm. Generelt begynder en overmættet blanding at danne faste partikler ud fra et højkoncentreret materiale. Sonikering forbedrer blandingen af prækursorerne og øger stoftransporten ved partikeloverfladen. Dette fører til mindre partikelstørrelse og større ensartethed.
UIP2000hdT, et kraftigt ultralydsapparat på 2kW til dispergering af SWCNTs.
Overfladefunktionalisering ved hjælp af ultralyd
Mange nanomaterialer, såsom metaloxider, inkjetblæk og tonerpigmenter eller fyldstoffer til højtydende belægninger, kræver overfladefunktionalisering. For at funktionalisere hele overfladen af hver enkelt partikel kræves en god dispergeringsmetode. Når partikler er dispergeret, er de typisk omgivet af et grænselag af molekyler, der tiltrækkes af partikeloverfladen. For at nye funktionelle grupper kan nå frem til partikeloverfladen, skal dette grænselag opbrydes eller fjernes. De væskestråler, der frembringes af ultralydskavitation, kan nå hastigheder på op til 1000km/hr. Denne belastning hjælper med at overvinde de tiltrækkende kræfter og transporterer de funktionelle molekyler til partikeloverfladen. I sonokemi bruges denne effekt til at forbedre dispergerede katalysatorers ydeevne.
Sonikering før måling af partikelstørrelse
Sonikering af prøver forbedrer nøjagtigheden af din måling af partikelstørrelse eller morfologi. Den nye SonoStep kombinerer ultralyd, omrøring og pumpning af prøver i et kompakt design. Den er let at betjene og kan bruges til at levere sonikerede prøver til analyseapparater såsom partikelstørrelsesanalysatorer. Den intense sonikering hjælper med at dispergere agglomererede partikler, hvilket giver mere konsistente resultater. Klik her for at læse mere!
Ultralydsbehandling i laboratorie- og produktionsskala
Ultralydsprocessorer og flowceller til deagglomerering og dispergering fås til laboratorie- og produktionsskala . Industrisystemerne kan nemt eftermonteres til inline-drift. Til forskning og procesudvikling anbefaler vi at bruge UIP1000hd (1.000 watt).
Hielscher tilbyder et bredt udvalg af ultralydsapparater og tilbehør til effektiv dispergering af nanomaterialer, f.eks. i maling, blæk og belægninger.
- Kompakte laboratorieapparater med op til 400 watt effekt.
Disse apparater bruges hovedsageligt til prøveforberedelse eller indledende gennemførlighedsundersøgelser og kan lejes. - 500 og 1.000 og 2.000 watts ultralydsprocessorer såsom sættet UIP1000hd med flowcelle og forskellige boosterhorn og sonotroder kan behandle større volumenstrømme.
Apparater af denne type bruges til optimering af parametrene (såsom amplitude, driftstryk, flowhastighed osv.) i bord- eller pilotanlægsskala. - Ultralydsprocessorer på 2kW, 4kW, 10kW og 16kW og større klynger af flere sådanne enheder kan behandle produktionsvolumenstrømme på næsten ethvert niveau.
Bordudstyr kan lejes på gode vilkår til gennemførelse af procesforsøg. Resultaterne af sådanne forsøg kan skaleres lineært til produktionsniveau – hvilket reducerer risikoen og omkostningerne ved procesudviklingen. Vi hjælper dig gerne online, telefonisk eller personligt. Find vores adresser her, eller brug formularen nedenfor.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:
| Batchvolumen | Flowhastighed | Anbefalede apparater |
|---|---|---|
| 1 til 500mL | 10 til 200mL/min | UP100H |
| 10 til 2000mL | 20 til 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 til 20L | 0,2 til 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 til 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Nanomaterialer – baggrundsinformation
Nanomaterialer er materialer med en størrelse på under 100nm. De vinder hurtigt indpas i formuleringer af maling, blæk og belægninger. Nanomaterialer falder i tre brede kategorier: metaloxider, nanoler og kulstofnanorør. Metaloxidnanopartikler omfatter zinkoxid, titanoxid, jernoxid, ceriumoxid og zirconiumoxid i nanoskala samt blandede metalforbindelser såsom indium-tin-oxid og zirconium og titan samt blandede metalforbindelser såsom indium-tin-oxid. Dette stof i lille størrelse har indflydelse på mange fagområder såsom fysik, kemi og biologi. I maling og belægninger opfylder nanomaterialer dekorative behov (f.eks. farve og glans) og funktionelle formål (f.eks. ledningsevne og mikrobiel inaktivering) og forbedrer malingens og belægningernes beskyttelse (f.eks. ridsebestandighed og UV-stabilitet). Især metaloxider i nanostørrelse såsom TiO2 og ZnO eller aluminiumoxid, ceriumoxid og siliciumdioxid samt pigmenter i nanostørrelse anvendes i nye malings- og belægningsformuleringer.
Når stof reduceres i størrelse, ændrer det sine egenskaber, såsom farve og vekselvirkning med andet stof, f.eks. kemisk reaktivitet. Ændringen i egenskaberne skyldes ændringen af de elektroniske egenskaber. Ved reduktion af partikelstørrelsen øges materialets overfladeareal. Derfor kan en større procentdel af atomerne vekselvirke med andet stof, f.eks. med harpiksmatricen.
Overfladeaktivitet er et centralt aspekt ved nanomaterialer. Agglomerering og aggregering forhindrer overfladearealet i at komme i kontakt med andet stof. Kun veldispergerede eller enkeltvis dispergerede partikler gør det muligt at udnytte stoffets fulde gavnlige potentiale. God dispergering reducerer dermed den mængde nanomaterialer, der er nødvendig for at opnå de samme effekter. Da de fleste nanomaterialer stadig er forholdsvis dyre, er dette aspekt af stor betydning for kommercialiseringen af produktformuleringer, der indeholder nanomaterialer. I dag fremstilles mange nanomaterialer ved en tørproces. Derfor skal partiklerne blandes i flydende formuleringer. Det er her, de fleste nanopartikler danner agglomerater under befugtningen. Især kulstofnanorør er meget kohæsive, hvilket gør det vanskeligt at dispergere dem i væsker såsom vand, ethanol, olie, polymer eller epoxyharpiks. Konventionelle procesapparater, f.eks. blandere med høj forskydning eller rotor-stator-blandere, højtrykshomogenisatorer eller kolloid- og skivemøller, er utilstrækkelige til at adskille nanopartiklerne i individuelle partikler. Især for småt stof fra flere nanometer til et par mikrometer er ultralydskavitation meget effektiv til at opbryde agglomerater, aggregater og endda primærpartikler. Når ultralyd bruges til formaling af højkoncentrerede batcher, får væskestrålerne fra ultralydskavitation partiklerne til at kollidere med hinanden ved hastigheder på op til 1000km/h. Dette bryder van der Waals-kræfter i agglomerater og endda i primærpartikler.
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blandingsanvendelser, dispergering, emulgering og ekstraktion i laboratorie-, pilot- og industriskala.