Pålidelig nanopartikelspredning til industrielle anvendelser

Ultralydbehandling med høj effekt kan effektivt og pålideligt nedbryde partikelagglomerater og endda opløse primære partikler. På grund af sin højtydende dispersionsydelse anvendes sonde-type ultralydapparater som foretrukken metode til at skabe homogene nanopartikelsuspensioner.

Pålidelig nanopartikelspredning ved ultralydbehandling

Mange industrier kræver forberedelse af suspensioner, som er belastede nanopartikler. Nanopartikler er faste stoffer med en partikelstørrelse mindre end 100 nm. På grund af den lille partikelstørrelse udtrykker nanopartikler unikke egenskaber såsom enestående styrke, hårdhed, optiske egenskaber, duktilitet, UV-modstand, ledningsevne, elektriske og elektromagnetiske (EM) egenskaber, anti-korrosivitet, ridsefasthed og andre ekstraordinære egenskaber.
Højintensiv, lavfrekvent ultralyd skaber intens akustisk kavitation, som er kendetegnet ved ekstreme forhold såsom forskydningskræfter, meget høje tryk- og temperaturforskelle og turbulenser. Disse kavitationskræfter acceler partikler, hvilket forårsager kollisioner mellem partikler og dermed knusning af partiklerne. Som følge heraf opnås nanostrukturerede materialer med en smal partikelstørrelseskurve og en ensartet fordeling.
Ultralydsdispergeringsudstyr er velegnet til behandling af enhver form for nanomaterialer i vand og organiske opløsningsmidler med lave til meget høje viskositeter.

Ultralydsdispersion af kulstofnanorør

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.

Ultralydsdispersion af nikkel nanopartikler

Nikkel nanopartikler kan med succes fremstilles via ultralydsassiteret hydrazinreduktionssyntese. Hydrazinreduktionssyntesevejen gør det muligt at fremstille ren metallisk nikkel nanopartikel med sfærisk form ved kemisk reduktion af nikkelchlorid med hydrazin. Forskningsgruppen af Adám 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 påførte temperatur, mens brugen af intense og kortere sonikeringsperioder kunne reducere de solvodynamiske diametre af de sekundære, aggregerede partikler fra 710 nm til 190 nm i fravær af overfladeaktivt middel. Den højeste surhedsgrad og katalytiske aktivitet blev målt for nanopartiklerne fremstillet ved mild (30 W udgangseffekt) og kontinuerlig ultralydsbehandling. Nanopartiklernes katalytiske opførsel blev testet i en Suzuki-Miyaura krydskoblingsreaktion over fem prøver fremstillet på konventionelle såvel som ultralydsmåder. De ultralydsfremstillede katalysatorer klarede sig normalt bedre, og den højeste katalytiske aktivitet blev målt over nanopartiklerne fremstillet under kontinuerlig sonikering med lav effekt (30 W).
Ultralydsbehandlingen havde afgørende virkninger på nanopartiklernes aggregeringstendens: defragmenteringspåvirkningen af de ødelagte kavitationshulrum med den kraftige masseoverførsel kunne overvinde den attraktive elektrostatiske af de ødelagte kavitationshulrum med den kraftige masseoverførsel kunne overvinde de attraktive elektrostatiske og van der Waals-kræfter mellem partiklerne.
(jf. Adám et al. 2020)

Ultralydsyntese af Wollastonit nanopartikler

Wollastonit er et calciuminosilikatmineral med den kemiske formel CaSiO3 Wollastonit anvendes i vid udstrækning 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 deagglomerering i nanoskala og ensartet dispersion afgørende.
Dordane og Doroodmand (2021) demonstrerede i deres undersøgelser, at ultralydsdispersion er en meget vigtig faktor, der påvirker størrelsen og morfologien af wollastonit nanopartikler betydeligt. For at evaluere bidraget fra sonikering på wollastonit nano-dispersion syntetiserede forskerholdet wollastonit nanopartikler med og uden anvendelse af ultralyd med høj effekt. Til deres sonikeringsforsøg brugte forskerne ultralydsprocessor UP200H (Hielscher Ultrasonics) med en frekvens på 24 kHz i 45,0 min. Resultaterne af ultralyd nano-dispersion er vist i den højopløselige SEM nedenfor. SEM-billedet viser tydeligt, at wollastonitprøven før ultralydsbehandling er agglomereret og aggregeret; efter sonikering med UP200H ultralydsapparat er den gennemsnitlige størrelse af wollastonitpartiklerne ca. 10nm. Undersøgelsen viser, at ultralydsdispersion 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 wollastonit nanopartikler (A) før og (B) efter ultralydbehandling ved hjælp af ultralydsprocessor UP200H i 45,0 min.
Studie og billede: ©Dordane og Doroodmand, 2021.

Ultralyd Nanofiller Dispersion

Sonikering er en alsidig metode til at dispergere og deagglomerere nanofyldstoffer i væsker og opslæmninger, f.eks. polymerer, epoxyharpikser, hærdere, termoplast osv. Derfor er sonificering meget udbredt som en meget effektiv dispersionsmetode i R&D og industriel produktion.
Zanghellini et al. (2021) undersøgte ultralydsdispersionsteknikken for nanofyldstoffer i epoxyharpiks. Han kunne demonstrere, at sonikering var i stand til at sprede små og høje koncentrationer af nanofillers i en polymermatrix.
Ved sammenligning af forskellige formuleringer viste 0,5 vægt% oxideret CNT de bedste resultater af alle sonikerede prøver, hvilket afslørede størrelsesfordelinger af de fleste agglomerater i et sammenligneligt interval med tre valseværksproducerede prøver, en god binding til hærderen, dannelsen af et perkolationsnetværk inde i dispersionen, som peger på stabilitet mod sedimentering og dermed en korrekt langsigtet stabilitet. Højere fyldmængder viste lignende gode resultater, men også dannelsen af mere udtalte interne netværk samt noget større agglomerater. Selv kulstofnanofibre (CNF) kunne spredes med succes via sonikering. Direkte US dispersion af nanofillers i hærdersystemerne uden yderligere opløsningsmidler blev opnået med succes og kan derfor ses som en anvendelig metode til en enkel og ligetil dispersion med potentiale til industriel anvendelse. (jf. Zanghellini et al., 2021)
 

Sammenligning af forskellige nanofillers dispergeret i hærder (ultralydbehandling - USA): (a) 0,5 vægt% kulstofnanofiber (CNF); b) 0,5 vægtprocent CNToxi c) 0,5 vægtprocent kulstofnanorør (CNT) d) 0,5 vægtprocent CNT halvdispergeret.
(Studie og billede: © Zanghellini et al., 2021)

Ultralydsspredning af nanopartikler – Videnskabeligt bevist for overlegenhed

Forskning viser i adskillige sofistikerede undersøgelser, at ultralydsdispersion 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 nanosilica i tyktflydende væsker ved hjælp af Hielscher ultralydsdispergerer UP400S. I sin undersøgelse kommer han til den konklusion, at "den stabile og ensartede spredning af nanopartikler kan opnås ved hjælp af en ultralydsanordning ved høj fast belastning i viskøse væsker." [Vikash, 2020]

Højtydende ultralydsprocessorer til nanopartikelspredning

Hielscher Ultrasonics er din troværdige leverandør til pålideligt højtydende ultralydsudstyr fra laboratorium og pilot til fuldindustrielle systemer. Hielscher Ultralyd’ Enheder har sofistikeret hardware, smart software og enestående brugervenlighed – designet og fremstillet i Tyskland. Hielschers robuste ultralydsmaskiner til dispersion, deagglomerering, nanopartikelsyntese og funktionalisering kan betjenes 24/7/365 under fuld belastning. Afhængigt af din proces og dit produktionsanlæg kan vores ultralydapparater køres i batch eller kontinuerlig in-line tilstand. Forskelligt tilbehør såsom sonotroder (ultralydssonder), boosterhorn, flowceller og reaktorer er let tilgængelige.
Kontakt os nu for at få mere teknisk information, videnskabelige undersøgelser, protokoller og et tilbud på vores ultralyd nano-dispersionssystemer! Vores veluddannede, erfarne personale vil med glæde diskutere din nano-applikation med dig!

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: