Ultralydbehandling med høj effekt kan effektivt og pålideligt nedbryde partikel agglomerater og endda opløse primære partikler. På grund af sin højtydende spredning ydeevne, sonde-type ultralydsapparater bruges som foretrukken metode til at skabe homogene nanopartikel suspensioner.

Pålidelig nanopartikelspredning ved ultralydbehandling

Mange industrier kræver forberedelse af suspensioner, som er lastede nanopartikler. Nanopartikler er faste stoffer med en partikelstørrelse mindre end 100nm. På grund af minutpartikelstørrelsen udtrykker nanopartikel unikke egenskaber såsom ekstraordinær styrke, hårdhed, optiske funktioner, duktilitet, UV-modstand, ledningsevne, elektriske og elektromagnetiske (EM) egenskaber, anti-ætsende, ridsemodstand og andre ekstraordinære egenskaber.
Højintensiv, lavfrekvent ultralyd skaber intens akustisk kavitation, som er kendetegnet ved ekstreme forhold som forskydningskræfter, meget højt tryk og temperaturforskelle og turbulenser. Disse kavitationskræfter accelererer partikler, der forårsager kollisioner mellem partikler og dermed brud på partiklerne. Derfor opnås nanostrukturerede materialer med en smal partikelstørrelseskurve og en ensartet fordeling.
Ultralydsdisperseringsudstyr er egnet til behandling af enhver form for nanomaterialer i vand og organiske opløsningsmidler med lave til meget høje viskositeter.

Ultralydsspredning af Carbon Nanotubes

Ultralydsdisperler anvendes i vid udstrækning til spredning af kulstofnanorør (CNT'er). Sonikering er en pålidelig metode til at detangle og sprede enkeltvæggede carbon nanorør (SWCNTs) samt flervæggede kulstof nanorør (MWCNTs). For eksempel for at producere en meget ledende termoplastisk polymer er høj renhed (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNT'er; ekstern diameter 9,5 nm; renhed 95 +%) ultrasonisk spredt med Hielscher UP200S i 30 minutter. De ultralydsopderedede Nanocyl® 3100 MWCNT'er i en koncentration på 1% m/w i epoxyharpiksen viste en overlegen ledningsevne på ca. 1,5 × 10-2 S/m.

Ultralydsspredning af nikkel nanopartikler

Nikkel nanopartikler kan med succes produceres via ultralyd-assited hydrazin reduktion syntese. Hydrazinreduktionssyntesevejen gør det muligt at forberede ren metallisk nikkel nanopartikel med sfærisk form ved kemisk reduktion af nikkelchlorid med hydrazin. Adáms forskergruppe viste, at ultralydbehandling – ved hjælp af Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – var i stand til at opretholde en gennemsnitlig primær krystallitstørrelse (7-8 nm) uafhængigt af den anvendte temperatur, mens brugen af intense og kortere sonikeringsperioder kunne reducere de solvodynamiske diametre af de sekundære, aggregerede partikler fra 710 nm til 190 nm uden overfladeaktivt middel. Den højeste surhedsgrad og katalytiske aktivitet blev målt for nanopartikler fremstillet ved mild (30 W udgangseffekt) og kontinuerlig ultralydsbehandling. Nanopartiklernes katalytiske adfærd blev testet i en Suzuki-Miyaura krydskoblingsreaktion over fem prøver tilberedt på konventionelle såvel som ultralyds måder. De ultralydsfrekrægtede katalysatorer klarede sig normalt bedre, og den højeste katalytiske aktivitet blev målt over de nanopartikler, der blev fremstillet under kontinuerlig sonikering med lav effekt (30 W).
Ultralydbehandlingen havde afgørende virkninger på nanopartiklernes aggregeringstendens: Defragmenteringspåvirkningen af de ødelagte kavitationsrum med den kraftige masseoverførsel kunne overvinde den attraktive elektrostatiske af de ødelagte kavitationsrum med den kraftige masseoverførsel kunne overvinde de attraktive elektrostatiske og van der Waals kræfter mellem partiklerne.
(jf. adám et al. 2020)

Ultralyd syntese af Wollastonit Nanopartikler

Wollastonit er et calcium inosilikatmineral med den kemiske formel CaSiO3 Wollastonit er meget udbredt som komponent til fremstilling af cement, glas, mursten og fliser i byggebranchen, som flux i støbning af stål samt et tilsætningsstof til fremstilling af belægninger og maling. For eksempel giver wollastonit forstærkning, hærdning, lav olieabsorption og andre forbedringer. For at opnå fremragende forstærkende egenskaber af wollastonit er nanoskala deagglomeration og ensartet spredning afgørende.
Dordane og Doroodmand (2021) viste i deres undersøgelser, at ultralydsspredning er en meget vigtig faktor, der infliuences størrelsen og morfologien af wollastonit nanopartikler betydeligt. For at evaluere bidraget fra sonikering på wollastonit nanospredning syntetiserede forskerholdet wollastonit nanopartikler med og uden anvendelse af high-power ultralyd. Til deres sonikeringsforsøg brugte forskerne ultralydsprocessor UP200H (Hielscher Ultrasonics) med en frekvens på 24 kHz i 45,0 min. Resultaterne af ultralyd nano-spredning er vist i høj opløsning SEM nedenfor. SEM-billedet viser tydeligt, at wollastonitprøven før ultralydsbehandling agglomererees og aggregeres; efter sonikeringen med UP200H ultralydsfælleren er den gennemsnitlige størrelse af wollastonitpartiklerne ca. 10nm. Undersøgelsen viser, at ultralydsspredning er en pålidelig og effektiv teknik til at syntetisere wollastonit nanopartikler. Den gennemsnitlige nanopartikelstørrelse kan styres ved at justere ultralydsbehandlingsparametrene.
(jf. Dordane og Doroodmand, 2021)

SEM-billeder af de wollastonitiske nanopartikler (A) før og (B) efter ultralydbehandling ved hjælp af Ultralydprocessor UP200H i 45,0 min.
Undersøgelse og billede: ©Dordane og Doroodmand, 2021.

Ultralyd Nanofiller Spredning

Sonikering er en alsidig metode til at sprede og deagglomerere nanofillere i væsker og gylle, f.eks. polymerer, epoxyharpikser, hærdere, termoplastik osv. Derfor anvendes sonikering i vid udstrækning som en yderst effektiv spredningsmetode i R&D og industriproduktion.
Zanghellini et al. (2021) undersøgte ultralydsspredningsteknikken for nanofillere i epoxyharpiks. Han kunne påvise, at sonikering var i stand til at sprede små og høje koncentrationer af nanofillere i en polymermatrix.
Ved sammenligning af forskellige formuleringer viste de 0,5 wt% oxiderede CNT de bedste resultater af alle sonikerede prøver, hvilket afslørede størrelsesfordelinger af de fleste agglomerater i et sammenligneligt interval til tre rullemølleproducerede prøver, en god binding til hærderen, dannelsen af et perkoleringsnetværk inde i spredningen, hvilket peger i retning af stabilitet mod sedimentering og dermed en ordentlig langsigtet stabilitet. Højere fyldstofmængder viste lignende gode resultater, men også dannelsen af mere udtalte interne netværk samt noget større agglomerater. Selv kulstof nanofibre (CNF) kunne spredes med succes via sonikering. Direkte amerikansk spredning af nanofillere i hærdesystemerne uden yderligere opløsningsmidler blev opnået med succes og kan derfor ses som en anvendelig metode til en enkel og ligetil spredning med potentiale for industriel brug. (jf.

Sammenligning af forskellige nanofillere, der er spredt i hærder ved hjælp af ultralydsbaseret sondetype): a) 0,5 wt% kulstofnanofiber (CNF); b) 0,5 wt% CNToxid c) 0,5 wt% kulstofnanorør (CNT) d) 0,5 wt% CNT halvopderet.
Undersøgelse og billede: ©Zanghellini et al., 2021

Ultralydsspredning af nanopartikler – Videnskabeligt bevist for overlegenhed

Forskning viser i talrige sofistikerede undersøgelser, at ultralydsspredning er en af de overlegne teknikker til at deagglomerere og distribuere nanopartikler selv ved høj koncentration i væsker. For eksempel undersøgte Vikash (2020) spredningen af høje belastninger af nano-silica i tyktflydende væsker ved hjælp af Hielscher ultralydsdisperteret UP400S. I sin undersøgelse kommer han til den konklusion, at "den stabile og ensartede spredning af nanopartikler kan opnås ved hjælp af en ultra-sonikeringsanordning ved høj fast belastning i viskøse væsker." [Vikash, 2020]

Højtydende ultralydsprocessorer til spredning af nanopartikler

Hielscher Ultrasonics er din troværdige leverandør af pålideligt højtydende ultralydsudstyr fra laboratorium og pilot til fuldindustrielle systemer. Hielscher Ultralyd’ enheder har avanceret hardware, smart software og fremragende brugervenlighed – designet og fremstillet i Tyskland. Hielschers robuste ultralydsmaskiner til spredning, deagglomeration, nanopartikelsyntese og funktionalisering kan betjenes 24/7/365 under fuld belastning. Afhængigt af din proces og dit produktionsanlæg kan vores ultralydsapparater køres i batch- eller kontinuerlig in-line-tilstand. Forskellige tilbehør såsom sonotroder (ultralyd sonder), booster horn, flow celler og reaktorer er let tilgængelige.
Kontakt os nu for at få mere teknisk information, videnskabelige undersøgelser, protokoller og et tilbud på vores ultralyd nano-spredningssystemer! Vores veluddannede, lang erfarne medarbejdere vil med glæde diskutere din nanoapplikation med dig!

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: