Διασπορά νανοϋλικών (νανοσωματιδίων) με υπερήχους
Τα νανοϋλικά έχουν γίνει αναπόσπαστο συστατικό προϊόντων τόσο διαφορετικών όσο τα υλικά υψηλών επιδόσεων, τα αντηλιακά, οι επιστρώσεις υψηλών επιδόσεων ή τα πλαστικά σύνθετα υλικά. Η σπηλαίωση υπερήχων χρησιμοποιείται για τη διασπορά σωματιδίων νανομετρικού μεγέθους σε υγρά, όπως νερό, λάδι, διαλύτες ή ρητίνες.
Διασπορά νανοσωματιδίων με υπερήχους
Η εφαρμογή της διασποράς νανοσωματιδίων με υπερήχους έχει πολλαπλές επιδράσεις. Η πιο προφανής είναι η διασπορά υλικών σε υγρά με σκοπό τη διάσπαση των συσσωματωμάτων σωματιδίων. Μια άλλη διεργασία είναι η εφαρμογή υπερήχων κατά τη σύνθεση ή καταβύθιση σωματιδίων. Γενικά, αυτό οδηγεί σε μικρότερα σωματίδια και αυξημένη ομοιομορφία μεγέθους. Η σπηλαίωση υπερήχων βελτιώνει επίσης τη μεταφορά ύλης στις επιφάνειες των σωματιδίων. Αυτή η επίδραση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της επιφανειακής λειτουργικοποίησης υλικών με υψηλή ειδική επιφάνεια.
Διασπορά και μείωση μεγέθους νανοϋλικών
Τα νανοϋλικά, π.χ. τα οξείδια μετάλλων, οι νανοάργιλοι ή οι νανοσωλήνες άνθρακα τείνουν να σχηματίζουν συσσωματώματα όταν αναμειγνύονται σε ένα υγρό. Αποτελεσματικά μέσα αποσυσσωμάτωσης και διασποράς είναι απαραίτητα για την υπερνίκηση των δυνάμεων σύνδεσης μετά τη διαβροχή της σκόνης. Η διάσπαση των δομών των συσσωματωμάτων με υπερήχους σε υδατικά και μη υδατικά αιωρήματα επιτρέπει την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων των υλικών νανομετρικού μεγέθους. Μελέτες σε διάφορες διασπορές συσσωματωμάτων νανοσωματιδίων με μεταβλητή περιεκτικότητα σε στερεά έχουν καταδείξει το σημαντικό πλεονέκτημα των υπερήχων σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες, όπως αναμικτήρες ρότορα–στάτορα (π.χ. ultra turrax), ομογενοποιητές εμβόλου ή μεθόδους υγρής άλεσης, π.χ. σφαιρόμυλους ή κολλοειδείς μύλους. Τα συστήματα υπερήχων Hielscher μπορούν να λειτουργούν σε αρκετά υψηλές συγκεντρώσεις στερεών. Για παράδειγμα, για το διοξείδιο του πυριτίου διαπιστώθηκε ότι ο ρυθμός θραύσης ήταν ανεξάρτητος από τη συγκέντρωση στερεών έως και 50% κατά βάρος. Οι υπέρηχοι μπορούν να εφαρμοστούν για τη διασπορά συμπυκνωμάτων υψηλής συγκέντρωσης – με επεξεργασία υγρών χαμηλού και υψηλού ιξώδους. Αυτό καθιστά τους υπερήχους μια καλή λύση επεξεργασίας για χρώματα και επιστρώσεις που βασίζονται σε διαφορετικά μέσα, όπως νερό, ρητίνη ή λάδι.
Ομογενοποιητής υπερήχων UP400St για νανοδιασπορές
Σπηλαίωση υπερήχων
Η διασπορά και η αποσυσσωμάτωση μέσω κατεργασίας με υπερήχους είναι αποτέλεσμα της σπηλαίωσης υπερήχων. Όταν τα υγρά εκτίθενται σε υπερήχους, τα ηχητικά κύματα που διαδίδονται μέσα στο υγρό προκαλούν εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής και χαμηλής πίεσης. Αυτό ασκεί μηχανική καταπόνηση στις ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των επιμέρους σωματιδίων. Η σπηλαίωση υπερήχων στα υγρά προκαλεί πίδακες υγρού υψηλής ταχύτητας, έως και 1000km/hr (περίπου 600mph). Αυτοί οι πίδακες ωθούν υγρό υπό υψηλή πίεση ανάμεσα στα σωματίδια και τα διαχωρίζουν μεταξύ τους. Τα μικρότερα σωματίδια επιταχύνονται μαζί με τους πίδακες υγρού και συγκρούονται με υψηλές ταχύτητες. Αυτό καθιστά τους υπερήχους αποτελεσματικό μέσο για τη διασπορά αλλά και για την άλεση σωματιδίων μικρομετρικού και υπομικρομετρικού μεγέθους.
Σύνθεση / καταβύθιση σωματιδίων υποβοηθούμενη από υπερήχους
Τα νανοσωματίδια μπορούν να παραχθούν με προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω μέσω σύνθεσης ή καταβύθισης. Η ηχοχημεία είναι μία από τις παλαιότερες τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή ενώσεων νανομετρικού μεγέθους. Ο Suslick, στην αρχική του εργασία, υπέβαλε σε κατεργασία με υπερήχους το Fe(CO)5 είτε ως καθαρό υγρό είτε σε διάλυμα deaclin και έλαβε άμορφα νανοσωματίδια σιδήρου μεγέθους 10–20nm. Γενικά, ένα υπερκορεσμένο μείγμα αρχίζει να σχηματίζει στερεά σωματίδια από ένα υλικό υψηλής συγκέντρωσης. Η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει την ανάμειξη των πρόδρομων ουσιών και αυξάνει τη μεταφορά μάζας στην επιφάνεια των σωματιδίων. Αυτό οδηγεί σε μικρότερο μέγεθος σωματιδίων και μεγαλύτερη ομοιομορφία.
UIP2000hdT, μια ισχυρή συσκευή υπερήχων 2kW για τη διασπορά SWCNTs.
Επιφανειακή λειτουργικοποίηση με χρήση υπερήχων
Πολλά νανοϋλικά, όπως τα οξείδια μετάλλων, οι χρωστικές μελανιών εκτύπωσης inkjet και τόνερ, ή τα πληρωτικά υλικά για επιστρώσεις υψηλών επιδόσεων, απαιτούν λειτουργικοποίηση της επιφάνειας. Για τη λειτουργικοποίηση ολόκληρης της επιφάνειας κάθε μεμονωμένου σωματιδίου απαιτείται μια καλή μέθοδος διασποράς. Όταν τα σωματίδια είναι διασπαρμένα, περιβάλλονται συνήθως από ένα οριακό στρώμα μορίων που έλκονται από την επιφάνειά τους. Για να φτάσουν νέες λειτουργικές ομάδες στην επιφάνεια των σωματιδίων, αυτό το οριακό στρώμα πρέπει να διασπαστεί ή να απομακρυνθεί. Οι πίδακες υγρού που προκύπτουν από τη σπηλαίωση υπερήχων μπορούν να φτάσουν σε ταχύτητες έως και 1000km/hr. Αυτή η καταπόνηση βοηθά στην υπερνίκηση των ελκτικών δυνάμεων και μεταφέρει τα λειτουργικά μόρια στην επιφάνεια των σωματιδίων. Στην ηχοχημεία, αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της απόδοσης των διασπαρμένων καταλυτών.
Κατεργασία με υπερήχους πριν από τη μέτρηση του μεγέθους σωματιδίων
Η κατεργασία των δειγμάτων με υπερήχους βελτιώνει την ακρίβεια της μέτρησης του μεγέθους ή της μορφολογίας των σωματιδίων σας. Το νέο SonoStep συνδυάζει υπερήχους, ανάδευση και άντληση δειγμάτων σε μια συμπαγή κατασκευή. Είναι εύχρηστο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία αναλυτικών συσκευών, όπως οι αναλυτές μεγέθους σωματιδίων, με δείγματα που έχουν υποστεί κατεργασία με υπερήχους. Η έντονη κατεργασία με υπερήχους βοηθά στη διασπορά των συσσωματωμένων σωματιδίων, οδηγώντας σε πιο συνεπή αποτελέσματα.Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα!
Κατεργασία με υπερήχους σε εργαστηριακή και παραγωγική κλίμακα
Επεξεργαστές υπερήχων και κυψελίδες ροής για αποσυσσωμάτωση και διασπορά διατίθενται για εργαστηριακή και παραγωγική κλίμακα. Τα βιομηχανικά συστήματα μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν εκ των υστέρων ώστε να λειτουργούν εν σειρά. Για την έρευνα και την ανάπτυξη διεργασιών συνιστούμε τη χρήση του UIP1000hd (1.000 watts).
Η Hielscher προσφέρει μια ευρεία γκάμα συσκευών υπερήχων και παρελκομένων για την αποτελεσματική διασπορά νανοϋλικών, π.χ. σε χρώματα, μελάνια και επιστρώσεις.
- Συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές με ισχύ έως και 400 watts.
Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται κυρίως για την προετοιμασία δειγμάτων ή για αρχικές μελέτες σκοπιμότητας και διατίθενται προς ενοικίαση. - 500 και 1.000 και 2.000 watts: επεξεργαστές υπερήχων με αυτές τις ισχείς, όπως το σετ UIP1000hd με κυψελίδα ροής και διάφορους ενισχυτές πλάτους και ηχοτρόδια, μπορούν να επεξεργαστούν ρεύματα μεγαλύτερου όγκου.
Συσκευές αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων (όπως: πλάτος ταλάντωσης, πίεση λειτουργίας, παροχή κ.λπ.) σε επιτραπέζια κλίμακα ή σε κλίμακα πιλοτικής εγκατάστασης. - Επεξεργαστές υπερήχων ισχύος 2kW, 4kW, 10kW και 16kW και μεγαλύτερες συστοιχίες από πολλές τέτοιες μονάδες μπορούν να επεξεργαστούν ρεύματα όγκου παραγωγής σχεδόν σε οποιαδήποτε κλίμακα.
Διατίθεται επιτραπέζιος εξοπλισμός προς ενοικίαση με ευνοϊκούς όρους για τη διεξαγωγή δοκιμών διεργασιών. Τα αποτελέσματα αυτών των δοκιμών μπορούν να κλιμακωθούν γραμμικά σε επίπεδο παραγωγής – μειώνοντας τον κίνδυνο και το κόστος που συνδέονται με την ανάπτυξη της διεργασίας. Θα χαρούμε να σας βοηθήσουμε διαδικτυακά, τηλεφωνικά ή αυτοπροσώπως. Βρείτε τις διευθύνσεις μας εδώ, ή χρησιμοποιήστε την παρακάτω φόρμα.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία μονάδων UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Νανοϋλικά – Βασικές πληροφορίες
Τα νανοϋλικά είναι υλικά με μέγεθος μικρότερο από 100nm. Ενσωματώνονται με ταχείς ρυθμούς στις συνθέσεις χρωμάτων, μελανιών και επιστρώσεων. Τα νανοϋλικά κατατάσσονται σε τρεις ευρείες κατηγορίες: οξείδια μετάλλων, νανοάργιλοι και νανοσωλήνες άνθρακα. Τα νανοσωματίδια οξειδίων μετάλλων περιλαμβάνουν οξείδιο του ψευδαργύρου, οξείδιο του τιτανίου, οξείδιο του σιδήρου, οξείδιο του δημητρίου και οξείδιο του ζιρκονίου σε νανοκλίμακα, καθώς και ενώσεις μεικτών μετάλλων όπως το οξείδιο ινδίου και κασσιτέρου και το ζιρκόνιο και το τιτάνιο, καθώς και ενώσεις μεικτών μετάλλων όπως το οξείδιο ινδίου και κασσιτέρου. Η ύλη σε αυτό το μικρό μέγεθος επηρεάζει πολλούς επιστημονικούς κλάδους, όπως τη φυσική, τη χημεία και τη βιολογία. Στα χρώματα και στις επιστρώσεις, τα νανοϋλικά καλύπτουν διακοσμητικές ανάγκες (π.χ. χρώμα και στιλπνότητα), εξυπηρετούν λειτουργικούς σκοπούς (π.χ. αγωγιμότητα, μικροβιακή αδρανοποίηση) και βελτιώνουν την προστασία (π.χ. αντοχή στις γρατσουνιές, σταθερότητα στην υπεριώδη ακτινοβολία) των χρωμάτων και των επιστρώσεων. Ειδικότερα, οξείδια μετάλλων σε νανοκλίμακα, όπως τα TiO2 και ZnO ή η αλουμίνα, το οξείδιο του δημητρίου και το διοξείδιο του πυριτίου και χρωστικές νανομετρικού μεγέθους βρίσκουν εφαρμογή σε νέες συνθέσεις χρωμάτων και επιστρώσεων.
Όταν μειώνεται το μέγεθος της ύλης, αλλάζουν τα χαρακτηριστικά της, όπως το χρώμα και η αλληλεπίδραση με άλλη ύλη, για παράδειγμα η χημική δραστικότητα. Η αλλαγή των χαρακτηριστικών οφείλεται στην αλλαγή των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων. Με τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων, αυξάνεται το εμβαδόν της επιφάνειας του υλικού. Έτσι, μεγαλύτερο ποσοστό των ατόμων μπορεί να αλληλεπιδράσει με άλλη ύλη, π.χ. με τη μήτρα των ρητινών.
Η επιφανειακή δραστικότητα αποτελεί βασική πτυχή των νανοϋλικών. Ο σχηματισμός συσσωματωμάτων και συσσωρευμάτων εμποδίζει την επαφή μέρους της επιφάνειας με άλλη ύλη. Μόνο τα καλά διασπαρμένα ή μεμονωμένα διασπαρμένα σωματίδια επιτρέπουν την αξιοποίηση του πλήρους ωφέλιμου δυναμικού της ύλης. Κατά συνέπεια, η καλή διασπορά μειώνει την ποσότητα νανοϋλικών που απαιτείται για την επίτευξη των ίδιων αποτελεσμάτων. Καθώς τα περισσότερα νανοϋλικά εξακολουθούν να είναι αρκετά ακριβά, αυτή η πτυχή έχει μεγάλη σημασία για την εμπορική αξιοποίηση συνθέσεων προϊόντων που περιέχουν νανοϋλικά. Σήμερα, πολλά νανοϋλικά παράγονται με ξηρή διεργασία. Ως αποτέλεσμα, τα σωματίδια πρέπει να αναμειχθούν σε υγρές συνθέσεις. Σε αυτό το στάδιο, τα περισσότερα νανοσωματίδια σχηματίζουν συσσωματώματα κατά τη διαβροχή. Ειδικότερα, οι νανοσωλήνες άνθρακα παρουσιάζουν πολύ ισχυρή συνοχή, γεγονός που δυσχεραίνει τη διασπορά τους σε υγρά, όπως νερό, αιθανόλη, έλαιο, πολυμερές ή εποξειδική ρητίνη. Οι συμβατικές συσκευές επεξεργασίας, π.χ. αναμικτήρες υψηλής διάτμησης ή ρότορα–στάτορα, ομογενοποιητές υψηλής πίεσης ή κολλοειδείς μύλοι και δισκόμυλοι, δεν επαρκούν για τον διαχωρισμό των νανοσωματιδίων σε διακριτά σωματίδια. Ειδικά για ύλη μικρού μεγέθους, από μερικά νανόμετρα έως λίγα μικρόμετρα, η σπηλαίωση που προκαλείται από υπερήχους είναι πολύ αποτελεσματική στη διάσπαση συσσωματωμάτων, συσσωρευμάτων, ακόμη και πρωτογενών σωματιδίων. Όταν οι υπέρηχοι χρησιμοποιούνται για την άλεση παρτίδων υψηλής συγκέντρωσης, οι πίδακες υγρού που προκύπτουν από τη σπηλαίωση που προκαλείται από υπερήχους κάνουν τα σωματίδια να συγκρούονται μεταξύ τους με ταχύτητες έως και 1000km/h. Αυτό διασπά τις δυνάμεις van der Waals στα συσσωματώματα, ακόμη και στα πρωτογενή σωματίδια.
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για εφαρμογές ανάμειξης, διασποράς, γαλακτωματοποίησης και εκχύλισης σε εργαστηριακή, πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.