Hielscher Ultralydsteknologi

Ultrasonic Syntese af nanodiamanter

  • På grund af sin intense cavitational kraft, er strøm ultralyd en lovende teknik til fremstilling af mikron- og nanostørrelsesdiamanter fra grafit.
  • Mikro- og nanokrystallinske diamanter kan syntetiseres ved at sonicere en suspension af grafit i organisk væske ved atmosfærisk tryk og stuetemperatur.
  • Ultralyd er også et nyttigt værktøj til efterbehandling af de syntetiserede nanodiamanter, da ultralyddispersioner, deagglomerater og funktionaliserer nanopartikler meget effektive.

Ultralyd til nanodiamondbehandling

Nanodiamanter (også kaldet detonationsdiamanter (DND) eller ultradisperserede diamanter (UDD)) er en speciel form for carbon nanomaterialer præget af unikke egenskaber - som f.eks. Dens gitter struktur, dens store overflade, såvel som unikke optisk og magnetisk egenskaber - og usædvanlige applikationer. Egenskaberne hos ultradispergerede partikler gør disse materialer innovative forbindelser til skabelsen af ​​nye materialer med ekstraordinære funktioner. Størrelsen af ​​diamantpartiklerne i soden er ca. 5nm.

Ultrasonic Syntese af nanodiamanter

Under intense kræfter, såsom sonication eller detonation, kan grafit omdannes til diamant.

Ultrasonisk syntetiserede nanodiamanter

Syntesen af ​​diamanter er et vigtigt forskningsfelt med hensyn til videnskabelige og kommercielle interesser. Den almindeligt anvendte fremgangsmåde til syntese af mikrokrystallinske og nanokrystallinske diamantpartikler er højtryks-høj temperatur (HPHT) -teknikken. Ved denne metode genereres det nødvendige procestryk på titusindvis af atmosfærer og temperaturer på mere end 2000 K for at frembringe hoveddelen af ​​verdensomspændende udbud af industriel diamant. Til transformation af grafit i diamant er der generelt behov for høje tryk og høje temperaturer, og katalysatorer anvendes til at øge udbyttet af diamant.
Disse krav til transformation kan genereres meget effektivt ved brug af ultralyd med høj effekt (= lavfrekvent ultralyd med høj intensitet):

Ultrasonic kavitation

Ultralyd i væsker forårsager lokalt meget ekstreme effekter. Ved lydbehandling af væsker ved høje intensiteter resulterer lydbølgerne, som formeres i væskemedierne, i alternerende højtryks- (kompression) og lavtrykscykluser med frekvenser, der afhænger af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber højintensitets ultralydbølger små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne når et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, falder de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen er betegnet kavitation. Under implosionen nås meget høje temperaturer (ca. 5.000K) og tryk (ca. 2.000atm) lokalt. Implutionen af ​​kavitationsboblen resulterer også i flydende stråler med en hastighed på op til 280m / s. (Suslick 1998) Det er indlysende, at mikro- og nano-krystallinsk diamanter kan syntetiseres inden for ultralydsområdet kavitation.

Anmodning om oplysninger




Bemærk vores Fortrolighedspolitik.


Ultralydsprocedure til syntese af nanodiamanter

De facto, undersøgelsen af ​​Khachatryan et al. (2008) viser, at diamantmikrokrystaller også kan syntetiseres ved ultralydning af en suspension af grafit i organisk væske ved atmosfærisk tryk og stuetemperatur. Som kavitationsvæske er der valgt en formel af aromatiske oligomerer på grund af dens lave mættede damptryk og dets høje kogetemperatur. I denne væske er det specielle rene grafitpulver – med partikler i intervallet mellem 100-200 μm - er blevet suspenderet. I eksperimenterne af Kachatryan et al. Var vægtforholdet mellem faststof og væske 1: 6, kavitationsvæsketætheden var 1,1 g cm-3 ved 25 ° C. Den maksimale ultralydintensitet i sonoreaktoren har været 75-80W cm-2 svarende til en lydtryksamplitude på 15-16 bar.
Det er opnået ca. 10% grafit til diamant konvertering. Diamanterne var næsten monodisperserede med en meget skarp, godt designet størrelse i intervallet 6 eller 9μm ± 0,5μm, med kubisk, krystallinsk morfologi og høj renhed.

Ultrasonisk syntetiserede diamanter (SEM-billeder): Ultralyd med høj effekt giver den nødvendige energi til at inducere nanodiamanter' af synthsis

SEM-billeder af de ultralydsyntetiserede diamanter: Billeder (a) og (b) viser prøve serie 1, (c) og (d) prøveserien 2. [Khachatryan et al. 2008]

Det omkostninger af mikro- og nanodiamanter produceret ved denne metode skønnes at være konkurrencedygtig med højtryks-høj temperatur (HPHT) processen. Dette gør ultralyd et innovativt alternativ til syntesen af ​​mikro- og nanodiamanter (Khachatryan et al. 2008), især da produktionsprocessen af ​​nanodiamanter kan optimeres ved yderligere undersøgelser. Mange parametre såsom amplitude, tryk, temperatur, kavitationsvæske og koncentration skal undersøges nøjagtigt for at opdage søde stedet for ultralyd nanodiamond-syntese.
Ved de opnåede resultater ved syntetisering af nanodiamanter frembringes der yderligere ultralyd kavitation giver potentialet til syntese af andre vigtige forbindelser, såsom kubisk bornitrid, carbon nitrid etc. (Khachatryan et al., 2008)
Endvidere synes det at være muligt at skabe diamant nanodråber og nanoroder fra multi-walled carbon nanorør (MWCNT) under ultralydsbestråling. Diamond nanowires er endimensionale analoger af bulk diamant. På grund af dets høje elastiske modul, styrke-til-vægt-forhold og den relative lethed, hvormed dens overflader kan funktionaliseres, har diamant vist sig at være det optimale materiale til nanomekaniske konstruktioner. (Sun et al., 2004)

Ultralydspredning af nanodiamanter

Som allerede beskrevet er deagglomerationen og den jævne partikelstørrelsesfordeling i mediet væsentlige for en vellykket udnyttelse af nanodiamanternes unikke egenskaber.
spredning og deagglomeration ved ultralydning er et resultat af ultralyd kavitation. Når væsker udsættes for ultralyd, vil lydbølgerne, som formeres i væsken, resultere i vekslende højtryks- og lavtrykscyklusser. Dette gælder mekanisk belastning på de tiltrækkende kræfter mellem de enkelte partikler. Ultralydkavitation i væsker forårsager flydende stråler med høj hastighed på op til 1000 km / h (ca. 600 mph). Sådanne stråler presser væske ved højt tryk mellem partiklerne og adskiller dem fra hinanden. Mindre partikler accelereres med væskestrålerne og kolliderer ved høje hastigheder. Dette gør ultralyd et effektivt middel til dispergeringen, men også for fræsning af mikron-størrelse og sub micron-størrelse partikler.
For eksempel kan nanodiamanter (gennemsnitlig størrelse på ca. 4 nm) og polystyren dispergeres i cyclohexan for at opnå en særlig sammensætning. I deres undersøgelse har Chipara et al. (2010) har fremstillet kompositter af polystyren og nanodiamanter, der indeholder nanodiamanter i intervallet mellem 0 og 25 vægt%. For at opnå en jævn spredning, de sonicerede løsningen i 60 min med Hielscher's UIP1000hd (1kW).

Ultralydassisteret funktionalisering af nanodiamanter

Til funktionalisering af den fuldstændige overflade af hver nanostørrelse skal partiklens overflade være tilgængelig for kemisk reaktion. Dette betyder, at en jævnt og fint dispersion er påkrævet, da de godt dispergerede partikler er omgivet af et grænselag af molekyler tiltrukket af partikeloverfladen. For at få nye funktionelle grupper til nanodiamonds overflade skal dette grænselag brydes eller fjernes. Denne proces med pause og fjernelse af grænselaget kan udføres ved ultralyd.
Ultralyd indført i væske frembringer forskellige ekstreme effekter som f.eks kavitation, lokalt meget høj temperatur op til 2000K og flydende stråler på op til 1000km / h. (Suslick 1998) Ved disse stressfaktorer kan de tiltrækkende kræfter (f.eks. Van-der-Waals-kræfter) overvindes, og de funktionelle molekyler bæres til partiklens overflade for at funktionalisere, fx nanodiamondens overflade.

Under powerful ultrasonic irradiation (e.g. with Hielscher's UIP2000hdT) it becomes possible to synthesis, deagglomerate and functionalize nanodiamonds efficiently.

Skema 1: Grafisk af in situ-deagglomerering og overfladefunktionalisering af nanodiamanter (Liang 2011)

Eksperimenter med Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) behandling har vist lovende resultater for overflade funcionalisering af nanodiamonds også. Derved er perler (fx keramiske perler af stor størrelse, såsom ZrO2-perler) blevet anvendt til at håndhæve ultralydet cavitational styrker på nanodiamondpartiklerne. Deagglomerationen opstår på grund af den interpartikulære kollision mellem nanodiamondpartiklerne og ZrO2 perler.
På grund af den bedre tilgængelighed af partiklernes overflade, anbefales der for kemiske reaktioner som Boran reduktion, arylation eller silanisering, en ultralyd eller BASD (perleassisteret sonisk opløsning) forbehandling til dispergeringsformål. Ved ultralyd sprede og deagglomeration den kemiske reaktion kan fortsætte meget mere fuldstændigt.

Når høj effekt, er lavfrekvente ultralyd indfører i et flydende medium, er kavitation genereret.

Ultralyd caviatation resulterer i ekstreme temperatur- og trykforskelle og højhastighedstråber. Derved er effekt ultralyd en vellykket behandlingsmetode til blanding og fræsning applikationer.

Kontakt os / bede om flere oplysninger

Tal med os om dine forarbejdning krav. Vi vil anbefale de bedst egnede setup og procesparametre til dit projekt.





Bemærk venligst, at vores Fortrolighedspolitik.


Litteratur / Referencer

  • Chipara, AC et al .: Termiske egenskaber ved nanodiamondpartikler dispergeret i polystyren. HESTEC 2010.
  • El-Say, KM: Nanodiamonds som et lægemiddelleveringssystem: Application and prospective. I J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; s. 29-39.
  • Khachatryan, A. Kh. et al .: Grafit-til-diamanttransformation induceret ved ultralydkavitation. I: diamant & Relaterede materialer 17, 2008; pp931-936.
  • Krueger, A .: Strukturen og reaktiviteten af ​​nanoskala diamant. I: J Mater Chem 18, 2008; s. 1485-1492.
  • Liang, Y .: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant Mittels Thermochemischer und Mechanochemischer Methoden. Dissertation Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
  • Osawa, E .: Monodisperse enkelt nanodiamondpartikler. I: Ren Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
  • Pramatarova, L. et al .: Fordelen ved Polymer Composites med Detonation Nanodiamond Partikler til medicinske applikationer. I: På Biomimetik; s. 298-320.
  • Sun, L .; Gong, J .; Zhu, D .; Zhu, Z .; Han, S .: Diamond Nanorods fra Carbon Nanotubes. I: Avancerede materialer 16/2004. pp. 1849-1853.
  • Suslick, KS: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4. udgave. J. Wiley & Sønner: New York; 26, 1998; s. 517-541.

nanodiamanter – Brug og applikationer

Nanodiamondkornene er ustabile på grund af deres zeta-potentiale. Dermed er de meget tilbøjelige til at danne aggregater. En almindelig anvendelse af nanodiamanter er brugen i slibemidler, skære- og poleringsværktøjer og varmekummer. En anden potentiel anvendelse er anvendelsen af ​​nanodiamanter som lægemiddelbærer til farmaceutiske aktive komponenter (jf. Pramatarova). Ved ultralydbehandlingfor det første kan nanodiamanter syntetiseres fra grafit, og for det andet kan nanodiamanterne tungt mod agglomerering være jævnt spredte i flydende medier (fx til at formulere et poleringsmiddel).