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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 ihre Verwendung als Kühlmittel. Durch den Zusatz von Nanopartikeln zu herkömmlichen Kühlmitteln (wie Wasser, Öl, Ethylenglykol, Polyalphaolefin usw.) werden die thermischen Eigenschaften der herkömmlichen Kühlmittel verbessert.

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Mit Ultraschall synthetisierte Nanofluide sind effiziente Kühlmittel und Wärmetauscherflüssigkeiten. Wärmeleitende Nanomaterialien erhöhen die Wärmeübertragung und die Wärmeableitungskapazität erheblich. Die Beschallung hat sich bei der Synthese und Funktionalisierung von wärmeleitenden Nanopartikeln sowie bei der Herstellung von stabilen, leistungsstarken Nanofluiden für Kühlanwendungen bewährt.

Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) in Polyethylenglykol (PEG) mit Ultraschall

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Die Ultraschalldispersion ist eine bewährte Technik zur Herstellung von Nanofluiden.

Ultraschallhomogenisator UP400St für die Herstellung von Nanofluiden

Typische Anwendungen von Nanofluiden sind

Herstellung von Nanofluiden mit einem Ultraschallhomogenisator

Die Mikrostruktur von Nanofluiden lässt sich durch die Anwendung der am besten geeigneten Homogenisierungstechnologie und Verarbeitungsparameter beeinflussen und manipulieren. Die Ultraschalldispergierung hat sich als hocheffiziente und zuverlässige Technik für die Herstellung von Nanofluiden erwiesen. Ultraschalldispergierer werden in Forschung und Industrie zur Synthese, Zerkleinerung, Dispergierung und Homogenisierung von Nanopartikeln mit hoher Gleichmäßigkeit und enger Partikelgrößenverteilung eingesetzt. Zu den Prozessparametern für die Synthese von Nanofluiden gehören Ultraschallenergieeintrag, Ultraschallamplitude, Temperatur, Druck und Säuregehalt. Darüber hinaus sind die Arten und Konzentrationen der Reaktanten und Zusatzstoffe sowie die Reihenfolge, in der die Zusatzstoffe der Lösung zugesetzt werden, wichtige Faktoren.
Es ist allgemein bekannt, dass die Eigenschaften von Nanofluiden stark von der Struktur und Form der Nanomaterialien abhängen. Daher ist die Erzielung kontrollierbarer Mikrostrukturen der Nanofluide der wichtigste Faktor, der zur Funktionalität und Qualität der Nanofluide beiträgt. Die Verwendung optimierter Ultraschallparameter wie Amplitude, Druck, Temperatur und Energiezufuhr (Ws/ml) ist der Schlüssel zur Herstellung eines stabilen, gleichmäßigen und hochwertigen Nanofluids. Die Ultraschallbehandlung kann erfolgreich zur Deagglomeration und Dispersion von Partikeln in einzelne dispergierte Nanopartikel eingesetzt werden. Je kleiner die Partikel sind, desto größer sind die Brownsche Bewegung (Brownsche Geschwindigkeit) und die Partikel-Partikel-Wechselwirkungen, was zu stabileren Nanofluiden führt. Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglichen die präzise Steuerung aller wichtigen Prozessparameter, können kontinuierlich mit hohen Amplituden betrieben werden (24/7/365) und verfügen über eine automatische Datenprotokollierung zur einfachen Auswertung aller Beschallungsläufe.

Ultraschalldispersion ist eine zuverlässige Technik zur Herstellung von Nanopartikeln wie Nano-Silika für Nanofluide

Mit Ultraschall dispergiertes Siliziumdioxid in Nanogröße

Sonikation verbessert die Stabilität von Nanofluiden

Bei Nanofluiden führt eine Agglomeration von Nanopartikeln nicht nur zu einer Ablagerung und Verstopfung von Mikrokanälen, sondern auch zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden. Die Deagglomeration und Dispersion mit Ultraschall wird in der Materialwissenschaft und in der Industrie häufig angewandt. Die Beschallung ist eine bewährte Technik zur Herstellung stabiler Nanodispersionen mit gleichmäßiger Verteilung der Nanopartikel und hoher Stabilität. Daher 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 Herstellung von Nanofluiden mit Ultraschall.

Ultraschallgerät UP200St (200 W) zur Dispergierung von Ruß in Wasser unter Verwendung von Tween80 (1 Gew.-%) als Tensid.

Ultraschalldispergierung von Carbon Black mit dem Ultraschallgerät UP200St

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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 erreicht wurde. Darüber hinaus wurden eine größere Stabilität und eine 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. Dies ist darauf zurückzuführen, dass kleinere Partikel ein größeres Verhältnis zwischen effektiver Oberfläche und Volumen aufweisen. Somit trugen kleinere Partikel zur Bildung eines stabilen Nanofluids bei, und die Beschallung mit einer Ultraschallsonde hatte einen erheblichen Einfluss auf die Temperaturleitfähigkeit. (Noroozi et al. 2014)

Schritt-für-Schritt-Anleitung für die Ultraschallproduktion von Al2O3-Wasser-Nanofluiden

Ultraschallgerät UP400St zum Dispergieren von Nanopartikeln für die Herstellung von NanofluidenWiegen Sie zunächst die Masse der Al2O3-Nanopartikel mit einer digitalen elektronischen Waage. Geben Sie dann nach und nach Al2O3-Nanopartikel in das gewogene destillierte Wasser und rühren Sie das Al2O3-Wasser-Gemisch um. Beschallen Sie das Gemisch 1 Stunde lang kontinuierlich mit einem Ultraschallgerät UP400S (400 W, 24 kHz, siehe Bild links), um eine gleichmäßige Dispersion der Nanopartikel in destilliertem Wasser zu erreichen. Die Nanoflüssigkeiten 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, dass "die Ultraschallbehandlung ein wesentlicher Prozess für die richtige Dispersion von Nanopartikeln in der Basisflüssigkeit und die Stabilität sowie für optimale Eigenschaften für reale Anwendungen ist." Sie verwendeten den Ultraschallgenerator UP200Ht zur Herstellung von ZnO/Wasser-Nanofluiden. 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 von Nanofilmen und andere damit zusammenhängende Eigenschaften jedes Nanofluids unter geeigneten Ultraschallbedingungen eingestellt und optimiert werden können.

Vorteile der Hielscher-Ultraschallgeräte für Nanofluide

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

Ultraschallhomogenisatoren für die Herstellung von Nanofluiden

Hielscher-Industrieschallköpfe der hdT-Serie lassen sich komfortabel und benutzerfreundlich über eine Browser-Fernbedienung bedienen.Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschall-Dispergierer für alle Arten von Homogenisierungs- und Deagglomerierungsanwendungen. Bei der Herstellung von Nanofluiden kommt es auf eine präzise Steuerung der Beschallung und eine zuverlässige Ultraschallbehandlung der Nanopartikelsuspension an.
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 optimale Bedingungen einstellen, was anschließend zu hochwertigen Nanofluiden führt.

  • Für jedes Volumen / jede Kapazität: Hielscher bietet Ultraschallgeräte und ein breites Portfolio an Zubehör. Dies ermöglicht die Konfiguration des idealen Ultraschallsystems für Ihre Anwendung und Produktionskapazität. Von kleinen Fläschchen mit Millilitern bis hin zu großen Volumenströmen von Tausenden von Litern pro Stunde bietet Hielscher die passende Ultraschalllösung für Ihren Prozess.
  • Robustheit: Unsere Ultraschallsysteme sind robust und zuverlässig. Alle Hielscher Ultraschallgeräte sind für den 24/7/365-Betrieb ausgelegt und benötigen nur äußerst 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 jeden beliebigen Internet-Browser. Mittels automatische Datenaufzeichnung werden die Prozessparameter jedes Beschallungslaufs auf einer eingebauten SD-Karte gespeichert.

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

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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Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung ist hocheffizient bei der Herstellung von langzeitstabilen Nanoemulsionen.

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



Literatur / Literaturhinweise

Hielscher Ultrasonics liefert Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren vom Labor- bis zum Industriemaßstab.

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

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