Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschallgeräte für das Dispergieren von Nanomaterialien

Nanomaterialien bilden einen wichtigen Bestandteil in vielen verschiedenartigen Produkten, wie z. B. in Sonnenschutzmitteln, Hochleistungsbeschichtungen oder Kunststoffverbundstoffen. Ultraschallkavitation wird genutzt, um nanoskalige Partikel in Flüssigkeiten wie Wasser, Öl, Lösungsmitteln oder Epoxydharzen zu dispergieren.

Der UP200S Ultraschallhomogenisator für das Dispergieren von Nanomaterialien

Die Anwendung von Ultraschall auf Nanomaterialien zeigt mannigfaltige Effekte. Das Dispergieren von Stoffen in Flüssigkeiten, um Partikelagglomerate zu zerstören, ist wohl die bedeutendste Ultraschallwirkung. Ein anderer wichtiger Prozess ist das Beschallen während der Partikelsynthese oder der Ausfällung. Dadurch werden eine Verringerung der Partikelgröße und eine Steigerung der Größenuniformität erreicht. Durch die Ultraschallkavitation verbessert sich zudem der Stoffaustausch an der Partikeloberfläche. Dieser Effekt kann dazu genutzt werden, um die Oberflächenfunktionalität der Materialien zu steigern, die eine hochspezifische Oberfläche aufweisen.

Das Dispergieren und die Größenreduktion von Nanomaterialien

 Degussa Titandioxid-Pulver vor und nach dem Beschallen.Nanomaterialien, wie z. B. Metalloxide, Nanoclays oder Carbon Nanotubes weisen, sobald sie in eine Flüssigkeit gemischt werden, eine starke Neigung zum Agglomerieren auf. Daher ist eine effektive Methode zum Deagglomerieren und Dispergieren notwendig, welche die Bindungskräfte, die mit dem Nasswerden des Pulvers aktiviert werden, zu lösen. Das Aufbrechen der Agglomeratstrukturen (in wässrigen und nicht-wässrigen Lösungen) mittels Ultraschall ermöglicht es, das volle Potenzial der nanoskaligen Nanomaterialien auszuschöpfen. Untersuchungen verschiedener Lösungen nanopartikulärer Agglomerate mit unterschiedlichem Feststoffgehalt haben gezeigt, dass Ultraschall einen beachtlichen Vorteil gegenüber anderen Technologien, wie Schermischern (z. B. Ultraturrax) und Kolbenhomogenisatoren, oder Nassmahlanlagen, wie der Perlmühle und der Kolloidmühle, aufweisen. Die Hielscher Ultraschallsysteme laufen auch bei einer hohen Konzentration an Feststoffen. So ist beispielsweise bei Silica der Brechungsgrad der Feststoffkonzentration bis zu 50% der Gewichtskonzentration unabhängig. Ultraschall kann für das Dispergieren von hochkonzentrierten Masterbatches eingesetzt werden – und Flüssigkeiten mit sowohl niedriger als auch hoher Viskosität behandelt werden. Damit ist Ultraschall eine hervorragende Prozessmethode für die Herstellung von Farben und Lacken, die auf verschiedenen Media, wie Wasser, Lösungsmittel oder Öl basieren.

Klicken Sie hier, um mehr über das Dispergieren von Carbon-Nanotubes zu lesen.

Ultraschallkavitation

Ultraschallkavitation in WasserDie Effekte des Dispergierens und Deagglomerierens werden beim Einsatz von Ultraschall durch Kavitation erzeugt. Werden Flüssigkeiten Ultraschallausgesetzt, so verursachen die Schallwellen in der Flüssigkeit abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen. Dadurch entsteht mechanischer Druck auf die interpartikulären Anziehungskräfte. Die Ultraschallkavitation verursacht in Flüssigkeiten Flüssigkeitsstrahlen mit extrem hohen Geschwindigkeiten von bis zu 1000km/h (ca. 600mph). Diese Flüssigkeitsstrahlen pressen während des Hochdruckzyklus Flüssigkeit zwischen die Partikel und trennen diese somit voneinander. Daher stellt Ultraschall eine sehr effektive Methode für das Dispergieren dar, aber auch für das Mahlen von mikroskaligen und submikroskaligen Partikeln.

Die ultraschallunterstützte Partikelsynthese / Fällung

Optimierter sonochemischer Reaktor(Banert et al., 2006)Nanopartikel können im Bottom-up-Verfahren durch Synthese oder Fällen aufgebaut werden. Die Sonochemie gehört zu einer der ersten Techniken, mit der nanoskalige Verbundstoffe hergestellt wurden. K. Suslick beschallte in einer seiner Studien Fe(CO)5 entweder als unverdünnte Flüssigkeit oder als eine Deaklinlösung und erhielt 10-20nm große amorphe Eisenpartikel. Im Allgemeinen beginnt eine übersättigte Mischung Festpartikel aus dem hochkonzentrierten Material zu bilden. Ultraschall verbessert das Mischen des Precursors und steigert den Masseaustausch an der Partikeloberfläche. Dies führt schließlich zu einer geringeren Partikelgröße und einer höheren Uniformität. Klicken Sie hier, um mehr über das ultraschallgestützte Fällen von Nanomaterialien zu erfahren.

Das Funktionalisieren der Oberfläche mit Hilfe von Ultraschall

Bei zahlreichen Nanomaterialien, wie Metalloxiden, Inkjet-Tinte und Tonerpigmenten oder auch bei Füllstoffen in Hochleistungsbeschichtungen, ist eine Funktionalisierung der Oberfläche notwendig. Um die gesamte Oberfläche jedes einzelnen Partikels zu funktionalisieren, wird eine gute Dispersionsmethode benötigt. Sind die Partikel dispergiert, so sind sie für gewöhnlich von einer Grenzschicht aus Molekülen umgeben, die von den Partikeln angezogen werden. Um neue funktionale Gruppen auf der Partikeloberfläche herzustellen, muss die Grenzschicht aufgebrochen oder abgelöst werden. Die Flüssigkeitsstrahlen, die durch die Ultraschallkavitation erzeugt werden, können Geschwindigkeiten von bis zu 1000km/h erreichen. Der dabei entstehende Druck unterstützt das Aufheben der Bindungskräfte und transportiert funktionale Moleküle auf die Partikeloberfläche. In der Sonochemie wird dieser Effekt dazu verwendet, um die Leistung der dispergierten Katalysatoren zu steigern.

Beschallung und Partikelgrößenmessung

Pumping, Stirring and Sonication with the All-in-One ultrasonic device SonoStep (Click to enlarge!)
Das Beschallen von Proben verbessert die Genauigkeit Ihrer Partikelgrößen oder das Morphologiemaß. Der neue SonoStep kombiniert Ultraschall, Rühren und das Pumpen im kompakten Design eines einzigen Gerätes. Dieses ist einfach zu bedienen und kann dazu verwendet werden, um beschallte Proben an Analysegeräte, wie z.B. das Partikelgrößenmessgerät, weiterleiten. Die intensive Beschallung trägt dazu bei, die agglomerierten Partikel zu dispergieren und somit beständigere Ergebnisse zu erhalten.

Hier erfahren Sie mehr über den UP200St_SonoStep!

Beschallen mit Ultraschall auf Labor- und Produktionsebene

Ultraschallprozessoren und Durchflusszellen für das Deagglomerieren und Dispergieren sind sowohl für das Labor als auch für Produktion erhältlich. Bestehende Produktionsanlagen können problemlos mit den Hielscher Industriesystemen aufgerüstet werden, indem die Ultraschelleinheiten in die vorhandene Anlage integriert werden. Für Forschung- und Entwicklungszwecke empfehlen wir den Einsatz des UIP1000hd (1.000 Watt).

Hielscher bietet eine Vielzahl an Ultraschallgeräten und Zubehör für das effiziente Dispergieren von Nanomaterialien, z. B. in Farben, Tinten oder Lacken.

  • Kompakte Laborgeräte mit bis zu 400 Watt Leistung
    Diese Geräte werden hauptsächlich für die Probenvorbereitung oder für anfängliche Durchführbarkeitsstudien genutzt und können auch gemietet werden.
  • 500, 1.000 und 2.000 Watt Ultraschallprozessoren wie beispielsweise das UIP1000hd Set mit Durchflusszelle und verschiedenen Boostern und Sonotroden können größere Volumenströme beschallen.
    Geräte wie diese werden bei der Optimierung der Parameter (wie: Amplitude, Druck während des Prozesses, Durchflussrate, etc.) im Bench-top-Verfahren oder im Technikumsmaßstab eingesetzt.
  • Ultraschallprozessoren mit 2, 4, 10 und 16kW ebenso wie größere Cluster, bestehend aus mehreren dieser Einheiten, können Volumenströme für die Produktion in fast jeder Größenordnung beschallen.

Das Bench-top-Equipment bzw. die Ausrüstung für Versuche im Technikums-Maßstab können zu günstigen Konditionen gemietet werden, um Prozessversuche durchzuführen. Das Ergebnis solcher Versuche kann anschließend auf das Produktionslevel übertragen und dementsprechend vergrößert werden. Gerne beraten wir Sie online, telefonisch oder persönlich. Unsere Kontaktdaten finden Sie hier oder nutzen Sie einfach das unten stehende Formular.

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Literatur


Aharon Gedanken (2004): Mit Sonochemie für die Herstellung von Nanomaterialien, Ultraschall Sonochemie eingeladene Beiträge, 2004 Elsevier BV

Nanomaterialien – Hintergrundinformationen

Bei Nanomaterialien handelt es sich um Stoffe, deren Größe als 100nm beträt. Ihre Verwendung bei der Herstellung von Farben, Tinten und Beschichtungen steigt an. Die Nanomaterialien lassen sich in den folgenden drei Kategorien unterteilen: Metalloxide, Nanoclays und Kohlenstoff-Nanoröhren.

Zu den Metalloxid-Nanopartikeln zählt man nanoskaliges Zinkoxid, Titanoxid, Eisenoxid, Zeroxid und Zirkoniumoxid, ebenso wie Metallverbindungen, wie Indiumzinnoxid, Zirkonium und Titan. So winny this softe so whatever, so speak you in affordable disciplins of the physics, der Chemie und der Biologie eine große Rolle. In Farben und Lacken erfüllen die Nanomaterialien dekorative Werte (z. B. Farbe und Glanz) und funktionelle Aspekte (z. B. Leitfähigkeit, mikrobische Inaktivität), um die Schutzfunktion der Farben und Beschichtungen zu verbessern (z. B. Kratzbeständigkeit, UV- Stabilität). So finden Sie spezielle nanoskalige Metalloxide, wie TiO2 und ZnO oder Aluminiumoxid, Ceria, Silica und nanoskalige Pigmentierung bei der Herstellung neuerartiger Farb- und Lackformulierungen.

Wenn die Größe dieser Materialien und Materialien verändert wird, wie z. B. die Farbe, die Wechselwirkung mit anderen Stoffen und die chemische Reaktivität. Diese Änderung der Eigenschaften wird durch eine Änderung der elektronischen Eigenschaften hervorgerufen. Durch die Partikelgrößenreduktion wird die Oberfläche des Materials vergrößern. Http://www.facebook.com/article.php?template=3&topic=3&topic=3&content=1&content=1&content=1&content=1 B. mit der Matrix von Epoxydharzen. This erhohte Oberflächenaktivität ist die innovative Schlüsselfunktion, welche die Nanomaterialien für Forschung und Industrie so interessant macht. Durch Agglomeration und Aggregation werden die Partikeloberflächen blockiert, so dass die Partikel nicht mehr mit anderen Stoffen wechselbaren können. There is it number with dispersited or single dispandered particle this products, the volle Potential of this Materialien zu nutzen. Durch eine gute Dispersion sinken auch die Mengen an ein Nanomaterial, um denben Effekt zu wirken. Da die Nanomaterialien fantastisch sind, ist dieser Aspekt genau die Vermutung von Produktformulierungen, die Nanomaterialien enthalten, wichtig und relevant.

Werden in einem Trockenprozess hergestellt; die Teile für die Formulierungen in Flüssigkeiten werden. Jedem agglomerieren die meisten Nanopartikel, so dass sie nass werden. Vor allem Kohlenstoff-Nanoröhren sind in hohem Maße (z. B. in Wasser, Öl, Ethanol, Polymer oder Epoxydharzen) zu dispergieren. Konventionelle Geräte, wie zum Beispiel Hochscher- oder Schermischer, Hochdruckhomogenisatoren oder Kolloid- und Scheibenmühlen scheitern an, die Nanopartikel in einzelne Teile zu trennen. Besonders für die kleinen Stoffe – mit der Größe von einem Nanometer bis zu einem Paar Mikrometern – zeigt sich Ultraschall als effektivste Wirksame Methode, um die Agglomerate, die Aggregate und die Primärpartikel zu zerstören. Dirt Ultraschall zum Mahlen von hochkonzentrierten Chargen verwendet, kommt durch die Flüssigkeitsstrahlen, die durch die Kavitation erhalten, zur Kollision der Partikel. The Particle prince there been to be of 1000 km / h aufeinander. Wir werden die Van der Waals-Kräfte in den Agglomeraten und in den Primärpartikeln gebrohren.