Herstellung von Nanofluiden

Ein Nanofluid ist ein gezielt entwickeltes Fluid, das aus einer Basisflüssigkeit mit darin enthaltenen Nanopartikeln besteht. Für die Synthese von Nanofluiden ist eine wirksame und zuverlässige Homogenisierungs- und Deagglomerationstechnik erforderlich, um eine möglichst gleichmäßige Dispergierung zu gewährleisten. Ultraschalldispergierer sind die überlegene Technologie zur Herstellung von Nanofluiden mit hervorragenden Eigenschaften. Die Ultraschalldispergierung zeichnet sich durch Effizienz, Schnelligkeit, Einfachheit, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit aus.

Was sind Nanofluide?

Ein Nanofluid ist ein Fluid, das nanoskalige Partikel (≺100nm) enthält, die üblicherweise als Nanopartikel bezeichnet werden. Die in Nanofluiden verwendeten Nanopartikel bestehen typischerweise aus Metallen, Oxiden, Carbiden oder Kohlenstoffnanoröhren. Diese Nanopartikel werden in einer Basisflüssigkeit (z. B. Wasser, Öl usw.) dispergiert, um eine gezielt hergestellte kolloidale Suspension, also das Nanofluid, zu erhalten. Nanofluide weisen gegenüber den Stoffeigenschaften der Basisflüssigkeit verbesserte thermophysikalische Eigenschaften auf, etwa hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Viskosität und konvektiver Wärmeübergangskoeffizienten.
Eine häufige Anwendung von Nanofluiden ist ihr Einsatz als Kühlmittel oder Kältemittel. Durch die Zugabe von Nanopartikeln zu herkömmlichen Kühlmitteln wie Wasser, Öl, Ethylenglykol oder Polyalphaolefin werden deren thermische Eigenschaften verbessert.

• Kühl- / Wärmeübertragungsflüssigkeiten
• Schmierstoffe
• biomedizinische Anwendungen

Herstellung von Nanofluiden mit einem Ultraschallhomogenisator

Die Mikrostruktur von Nanofluiden lässt sich durch den Einsatz der am besten geeigneten Homogenisierungstechnologie und Prozessparameter beeinflussen und gezielt verändern. Die Ultraschalldispergierung hat sich als hocheffiziente und zuverlässige Technik zur Herstellung von Nanofluiden bewährt. Ultraschalldispergierer werden in Forschung und Industrie eingesetzt, um Nanopartikel mit hoher Gleichmäßigkeit und enger Partikelgrößenverteilung zu synthetisieren, zu mahlen, zu dispergieren und zu homogenisieren. Zu den Prozessparametern für die Synthese von Nanofluiden zählen Ultraschallenergieeintrag, Ultraschallamplitude, Temperatur, Druck und Säuregrad. Darüber hinaus sind die Arten und Konzentrationen der Reaktanten und Additive sowie die Reihenfolge, in der die Additive der Lösung zugegeben werden, wichtige Faktoren.
Es ist allgemein bekannt, dass die Eigenschaften von Nanofluiden stark von der Struktur und Form der Nanomaterialien abhängen. Daher ist die Erzeugung kontrollierbarer Mikrostrukturen der Nanofluide der wichtigste Faktor für deren Funktionalität und Qualität. Optimierte Beschallungsparameter wie Amplitude, Druck, Temperatur und Energieeintrag (Ws/mL) sind der Schlüssel zur Herstellung eines stabilen, gleichmäßigen Nanofluids von hoher Qualität. Die Ultraschallbehandlung lässt sich erfolgreich einsetzen, um Partikel zu deagglomerieren und als einzelne Nanopartikel zu dispergieren. Mit abnehmender Partikelgröße nehmen sowohl die Brownsche Bewegung (Brownsche Bewegungsgeschwindigkeit) als auch die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln zu und führen zu stabileren Nanofluiden. Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen die präzise Kontrolle aller wichtigen Prozessparameter, können bei hohen Amplituden kontinuierlich betrieben werden (24/7/365) und verfügen über eine automatische Datenprotokollierung zur einfachen Auswertung aller Beschallungsläufe.

Durch Ultraschall dispergiertes nanoskaliges Siliciumdioxid

Verbesserte Stabilität von Nanofluiden durch Beschallung

Bei Nanofluiden führt eine Agglomeration von Nanopartikeln nicht nur zur Sedimentation und zur Verstopfung von Mikrokanälen, sondern auch zu einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeit der Nanofluide. Die Deagglomeration und Dispergierung mittels Ultraschall werden in der Materialwissenschaft und Industrie vielfach eingesetzt. Die Beschallung ist eine bewährte Technik zur Herstellung stabiler Nanodispersionen mit gleichmäßiger Nanopartikelverteilung und hoher Stabilität. Deshalb sind Ultraschalldispergierer von Hielscher die bevorzugte Technologie für die Herstellung von Nanofluiden.

Durch Ultraschall hergestellte Nanofluide in der Forschung

In der Forschung wurden die Auswirkungen der Ultraschallbehandlung und der Ultraschallparameter auf die Eigenschaften von Nanofluiden untersucht. Lesen Sie mehr über wissenschaftliche Erkenntnisse zur Herstellung von Nanofluiden mittels Ultraschall.

Auswirkungen von Ultraschall auf die Herstellung von Al2O3-Nanofluiden

Noroozi et al. (2014) stellten Folgendes fest: „Bei höherer Partikelkonzentration war die durch Beschallung erzielte Steigerung der Temperaturleitfähigkeit der Nanofluide größer. Zudem wurden eine höhere Stabilität und eine stärkere Steigerung der Temperaturleitfähigkeit erreicht, indem die Nanofluide vor der Messung mit dem leistungsstärkeren Ultraschallgerät mit Sonotrode beschallt wurden.“ Bei kleineren Nanopartikeln war die Steigerung der Temperaturleitfähigkeit größer. Dies liegt daran, dass kleinere Partikel ein höheres Verhältnis von effektiver Oberfläche zu Volumen aufweisen. Somit trugen kleinere Partikel zur Bildung eines stabilen Nanofluids bei, und die Beschallung mit einer Sonotrode hatte einen erheblichen Einfluss auf die Temperaturleitfähigkeit. (Noroozi et al. 2014)

Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Herstellung von Al2O3-Wasser-Nanofluiden mittels Ultraschall

Wiegen Sie zunächst die Masse der Al2O3-Nanopartikel mit einer digitalen elektronischen Waage ab. Geben Sie anschließend die Al2O3-Nanopartikel nach und nach in das abgewogene destillierte Wasser und rühren Sie das Al2O3-Wasser-Gemisch. Beschallen Sie das Gemisch kontinuierlich für 1h mit einem Ultraschallgerät mit Sonotrode des Typs UP400S (400W, 24kHz, siehe Abbildung links), um eine gleichmäßige Dispersion der Nanopartikel in destilliertem Wasser zu erzeugen. Die Nanofluide können mit unterschiedlichen Anteilen (0,1%, 0,5% und 1%) hergestellt werden. Weder ein Tensid noch Änderungen des pH-Werts sind erforderlich. (Isfahani et al., 2013)

Mittels Ultraschall gezielt eingestellte wässrige ZnO-Nanofluide

Elcioglu et al. (2021) erklären in ihrer wissenschaftlichen Studie: „Die Ultraschallbehandlung ist ein wesentlicher Prozess für die sachgerechte Dispergierung von Nanopartikeln in der Basisflüssigkeit und für die Stabilität sowie für optimale Eigenschaften in praktischen Anwendungen.“ Sie verwendeten das Ultraschallgerät UP200Ht zur Herstellung von ZnO / Wasser-Nanofluiden. Die Beschallung hatte deutliche Auswirkungen auf die Oberflächenspannung des wässrigen ZnO-Nanofluids. Die Ergebnisse der Forschenden lassen den Schluss zu, dass sich die Oberflächenspannung, die Bildung von Nanofilmen und weitere damit zusammenhängende Eigenschaften jedes Nanofluids unter geeigneten Beschallungsbedingungen anpassen und gezielt einstellen lassen.

Ultraschallhomogenisatoren zur Herstellung von Nanofluiden

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschalldispergierer für Homogenisierungs- und Deagglomerationsanwendungen aller Art. Bei der Herstellung von Nanofluiden sind eine präzise Steuerung der Beschallung und eine zuverlässige Ultraschallbehandlung der Nanopartikelsuspension entscheidend.
Die Prozessoren von Hielscher Ultrasonics ermöglichen Ihnen die vollständige Kontrolle über alle wichtigen Prozessparameter wie Energieeintrag, Ultraschallintensität, Amplitude, Druck, Temperatur und Verweilzeit. Dadurch können Sie die Parameter auf optimierte Bedingungen einstellen und so hochwertige Nanofluide herstellen.

• Für jedes Volumen und jede Kapazität: Hielscher bietet Ultraschallgeräte und ein breites Zubehörportfolio an. Damit lässt sich das ideale Ultraschallsystem für Ihre Anwendung und Produktionskapazität konfigurieren. Von kleinen Probengefäßen mit Millilitervolumen bis hin zu hohen Volumenströmen von Tausenden Gallonen pro Stunde bietet Hielscher die passende Ultraschalllösung für Ihren Prozess.
• Robustheit: Unsere Ultraschallsysteme sind robust und zuverlässig. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den 24/7/365-Betrieb ausgelegt und erfordern nur sehr wenig Wartung.
• Benutzerfreundlichkeit: Die ausgereifte Software unserer Ultraschallgeräte ermöglicht die Vorauswahl und Speicherung von Beschallungseinstellungen für eine einfache und zuverlässige Beschallung. Das intuitive Menü ist über ein digitales Farb-Touchdisplay leicht zugänglich. Die Browser-Fernsteuerung ermöglicht Ihnen die Bedienung und Überwachung über einen beliebigen Internetbrowser. Die automatische Datenaufzeichnung speichert die Prozessparameter jedes Beschallungslaufs auf einer integrierten SD-Karte.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: