Wie man Nanofluide herstellt

Ein Nanofluid ist ein technisch hergestelltes Fluid, das aus einer Basisflüssigkeit mit Nanopartikeln besteht. Für die Synthese von Nanofluiden ist eine wirksame und zuverlässige Homogenisierungs- und Deagglomerierungstechnik erforderlich, um einen hohen Grad an gleichmäßiger Dispersion zu gewährleisten. Ultraschall-Dispergierer sind die überlegene Technologie zur Herstellung von Nanofluiden mit hervorragenden Eigenschaften. Die Ultraschall-Dispergierung zeichnet sich durch Effizienz, Geschwindigkeit, Einfachheit, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit aus.

Was sind Nanofluide?

Ein Nanofluid ist eine Flüssigkeit, die Partikel in Nanogröße (≺100nm) - sogenannte Nanopartikel - enthält. Bei den in Nanofluiden verwendeten Nanopartikel handelt es sich typischerweise um Metalle, Oxide, Karbide oder Kohlenstoff-Nanoröhren. Diese Nanopartikel werden in einer Basisflüssigkeit (z.B. Wasser, Öl usw.) dispergiert, um eine künstliche kolloidale Suspension, d.h. das Nanofluid, zu erhalten. Nanofluide weisen verbesserte thermophysikalische Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Viskosität und konvektive Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu den Materialeigenschaften des Basisfluids auf.
Eine häufige Anwendung von Nanofluiden ist die Verwendung als Kühlmittel oder Kältemittel. Durch die Zugabe von Nanopartikeln zu herkömmlichen Kühlmitteln (wie Wasser, Öl, Ethylenglykol, Polyalphaolefin etc.) werden die thermischen Eigenschaften der herkömmlichen Kühlmittel verbessert.

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Ultrasonic dispersion is a well established technique to prepare nanofluids.

Ultraschallhomogenisator UP400St zur Herstellung von Nanofluiden

Herstellung von Nanofluiden mit einem Ultraschall-Homogenisator

Die Mikrostruktur von Nanofluiden kann durch die Anwendung der am besten geeigneten Homogenisierungstechnologie und Verarbeitungsparameter beeinflusst und manipuliert werden. Die Ultraschall-Dispergierung hat sich als hocheffiziente und zuverlässige Technik für die Nanofluid-Aufbereitung bewährt. Ultraschall-Dispergierer werden in Forschung und Industrie eingesetzt, um Nanopartikel mit hoher Gleichmäßigkeit und enger Partikelgrößenverteilung zu synthetisieren, zu mahlen, zu dispergieren und zu homogenisieren. Prozessparameter für die Synthese von Nanofluiden sind u. a. Ultraschallenergieeintrag, Ultraschallamplitude, Temperatur, Druck und Säuregehalt. 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 bekannt, dass die Eigenschaften von Nanofluiden stark von der Struktur und Form der Nanomaterialien abhängen. Daher ist die Erzielung kontrollierbarer Mikrostrukturen der Nanofluide der Hauptfaktor, der zur Funktionalität und Qualität der Nanofluide beiträgt. Die Verwendung optimierter Ultraschallparameter wie Amplitude, Druck, Temperatur und Energieeintrag (Ws/mL) ist der Schlüssel zur Herstellung eines stabilen, gleichmäßigen und qualitativ hochwertigen Nanofluids. Die Ultraschallbehandlung kann erfolgreich zur Deagglomeration und Dispersion von Partikeln in einzelne dispergierte Nanopartikel eingesetzt werden. Mit kleinerer Partikelgröße nehmen sowohl die Brownsche Bewegung (Brownsche Geschwindigkeit) als auch die Partikel-Partikel-Wechselwirkungen zu und führen zu stabileren Nanofluiden. Hielscher-Ultraschallgeräte erlauben die präzise Steuerung aller wichtigen Prozessparameter, können kontinuierlich mit hohen Amplituden laufen (24/7/365) und verfügen über eine automatische Datenprotokollierung zur einfachen Auswertung aller Beschallungsläufe.

Ultrasonic dispersion is a reliable technique to produce nanoparticles such as nano-silica for nanofluids

Mit Ultraschall dispergiertes Siliziumdioxid in Nanogrösse

Sonikation verbessert die Stabilität von Nanofluiden

Bei Nanofluiden führt eine Agglomeration von Nanopartikeln nicht nur zur Ablagerung und Verstopfung von Mikrokanälen, sondern auch zur Verringerung der Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden. Die Deagglomeration und Dispergierung mit Ultraschall findet in der Materialwissenschaft und Industrie breite Anwendung. Die Beschallung ist eine bewährte Technik zur Herstellung stabiler Nano-Dispersionen mit gleichmäßiger Nanopartikel-Verteilung und hoher Stabilität. Deshalb sind Hielscher-Ultraschall-Dispergierer die bevorzugte Technologie, wenn es um die Herstellung von Nanofluiden geht.

Mit Ultraschall erzeugte Nanofluide in der Forschung

Die Forschung hat die Auswirkungen der Ultraschallbehandlung und der Ultraschallparameter auf die Eigenschaften von Nanofluiden untersucht. Lesen Sie mehr über wissenschaftliche Erkenntnisse zur Nanofluid-Zubereitung mit Ultraschall.

Ultraschallgerät UP200St (200W) für das Dispergieren von Carbon Black in Wasser unter Verwendung von 1wt% Tween80 als Tensid

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Ultraschalleffekte bei der Herstellung von Al2O3-Nanofluid

Noroozi et al. (2014) fanden heraus, dass bei "höherer Partikelkonzentration eine größere Verbesserung der Temperaturleitfähigkeit der Nanofluide durch Beschallung auftrat. Darüber hinaus wurde eine größere Stabilität und Verbesserung der Temperaturleitfähigkeit erreicht, wenn die Nanofluide vor der Messung mit einem Sonicator höherer Leistung beschallt wurden." Die Verbesserung der Temperaturleitfähigkeit war bei den kleineren NPs größer. Das liegt daran, dass kleinere Partikel ein größeres Verhältnis von effektiver Oberfläche zu Volumen haben. Somit trugen kleinere Partikel zur Bildung eines stabilen Nanofluids bei und die Beschallung mit einer Ultraschallsonde führte zu einem erheblichen Effekt auf die Temperaturleitfähigkeit. (Noroozi et al. 2014)

Schritt-für-Schritt-Anleitung für die Ultraschall-Herstellung von Al2O3-Wasser-Nanoflüssigkeiten

Ultrasonicator UP400St dispersing nanoparticles for nanofluid productionWiegen Sie zunächst die Masse der Al2O3-Nanopartikel mit einer digitalen elektronischen Waage. Geben Sie dann die Al2O3-Nanopartikel nach und nach in das gewogene destillierte Wasser und rühren Sie das Al2O3-Wasser-Gemisch. Beschallen Sie das Gemisch kontinuierlich für 1h mit einem Ultraschallsondengerät UP400S (400W, 24kHz, siehe Abb. links), um eine gleichmäßige Dispersion der Nanopartikel in destilliertem Wasser herzustellen. Die Nanofluide können in verschiedenen Anteilen (0,1%, 0,5% und 1%) hergestellt werden. Es werden keine Tenside oder pH-Änderungen benötigt. (Isfahani et al., 2013)

Mit Ultraschall abgestimmte wässrige ZnO-Nanofluide

Elcioglu et al. (2021) stellen in ihrer wissenschaftlichen Studie fest: "Die Ultraschallbehandlung ist ein wesentlicher Prozess für die richtige Dispersion von Nanopartikeln in der Basisflüssigkeit und die Stabilität sowie für optimale Eigenschaften für reale Anwendungen." Sie verwendeten das Ultraschallgerät UP200Ht, um ZnO/Wasser-Nanofluide herzustellen. Die Sonikation hatte deutliche Auswirkungen auf die Oberflächenspannung des wässrigen ZnO-Nanofluids. Die Ergebnisse der Forscher lassen den Schluss zu, dass die Oberflächenspannung, die Bildung eines Nano-Films und andere damit verbundene Eigenschaften jedes Nanofluids unter den richtigen Ultraschallbedingungen eingestellt und abgestimmt werden können.

Vorteile der Hielscher-Ultraschallgeräte für Nanofluide

  • Hocheffizient
  • Zuverlässige Dispersion von Nanopartikeln
  • Modernste Technik
  • Anpassbar an Ihre Anwendung
  • 100% linear skalierbar auf jede Kapazität
  • Leicht verfügbar
  • kostengünstig
  • Sicher und benutzerfreundlich

Ultraschall-Homogenisatoren für die Nanofluid-Produktion

Präzise Kontrolle über die Ultraschall-Prozessparameter von Hielscher Ultrasonics' intelligente SoftwareHielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschall-Dispergierer für alle Arten von Homogenisierungs- und Deagglomerationsanwendungen. Bei der Herstellung von Nanofluiden sind die präzise Steuerung der Beschallung und eine zuverlässige Ultraschallbehandlung der Nanopartikelsuspension entscheidend.
Mit den Prozessoren von Hielscher Ultrasonics haben Sie die volle Kontrolle über alle wichtigen Prozessparameter wie Energieeintrag, Ultraschallintensität, Amplitude, Druck, Temperatur und Verweilzeit. Dadurch können Sie die Parameter auf optimierte Bedingungen einstellen, was anschließend zu hochwertigen Nanofluiden führt.

  • Für jedes Volumen / jede Kapazität: Hielscher bietet Ultraschallgeräte und ein breites Portfolio an Zubehör. Damit lässt sich das ideale Ultraschallsystem für Ihre Anwendung und Produktionskapazität konfigurieren. Von kleinen Fläschchen mit Millilitern bis hin zu großen Volumenströmen von mehreren tausend Litern pro Stunde bietet Hielscher die passende Ultraschall-Lösung für Ihren Prozess.
  • Robustheit: Unsere Ultraschallsysteme sind robust und zuverlässig. Alle Hielscher-Ultraschallgeräte sind für den 24/7/365-Betrieb ausgelegt und benötigen nur sehr wenig Wartung.
  • Benutzerfreundlichkeit: Die ausgefeilte Software unserer Ultraschallgeräte ermöglicht die Vorauswahl und Speicherung von Beschallungseinstellungen für eine einfache und sichere Beschallung. Das intuitive Menü ist über ein digitales farbiges Touch-Display leicht zugänglich. Die Browser-Fernsteuerung ermöglicht die Bedienung und Überwachung über einen beliebigen Internet-Browser. Die automatische Datenaufzeichnung speichert die Prozessparameter jedes Beschallungslaufs auf einer eingebauten SD-Karte.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.

Literatur / Literaturhinweise



Hielscher Ultrasonics supplies high-performance ultrasonic homogenizers from lab to industrial size.

Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Tischgeräte bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.