Αξιόπιστη διασπορά νανοσωματιδίων για βιομηχανικές εφαρμογές

Υπερήχους υψηλής ισχύος μπορεί αποτελεσματική και αξιόπιστα διάσπαση σωματιδίων συσσωματώματα και ακόμη και αποσύνθεση πρωτογενών σωματιδίων. Λόγω της απόδοσης διασποράς υψηλής απόδοσης, οι υπερήχων τύπου καθετήρα χρησιμοποιούνται ως προτιμώμενη μέθοδος για τη δημιουργία ομοιογενών εναιωρημάτων νανοσωματιδίων.

Αξιόπιστη διασπορά νανοσωματιδίων με υπερήχους

Πολλές βιομηχανίες απαιτούν την παρασκευή εναιωρημάτων, τα οποία είναι φορτωμένα νανοσωματίδια. Τα νανοσωματίδια είναι στερεά με μέγεθος σωματιδίων μικρότερο από 100nm. Λόγω του μικρού μεγέθους σωματιδίων, τα νανοσωματίδια εκφράζουν μοναδικές ιδιότητες όπως εξαιρετική αντοχή, σκληρότητα, οπτικά χαρακτηριστικά, ολκιμότητα, αντοχή στην υπεριώδη ακτινοβολία, αγωγιμότητα, ηλεκτρικές και ηλεκτρομαγνητικές (EM) ιδιότητες, αντιδιαβρωτικότητα, αντοχή στις γρατσουνιές και άλλα εξαιρετικά χαρακτηριστικά.
Ο υπέρηχος υψηλής έντασης, χαμηλής συχνότητας δημιουργεί έντονη ακουστική σπηλαίωση, η οποία χαρακτηρίζεται από ακραίες συνθήκες όπως δυνάμεις διάτμησης, πολύ υψηλές διαφορές πίεσης και θερμοκρασίας και αναταράξεις. Αυτές οι δυνάμεις σπηλαίωσης επιταχύνουν τα σωματίδια προκαλώντας συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων και κατά συνέπεια θρυμματισμό των σωματιδίων. Κατά συνέπεια, λαμβάνονται νανοδομημένα υλικά με στενή καμπύλη μεγέθους σωματιδίων και ομοιόμορφη κατανομή.
Ο εξοπλισμός διασποράς υπερήχων είναι κατάλληλος για τη θεραπεία κάθε είδους νανοϋλικών σε νερό και οργανικούς διαλύτες, με χαμηλό έως πολύ υψηλό ιξώδες.

Υπερήχων διασπορά νανοσωλήνων άνθρακα

Ultrasonic dispersers are widely used for the purpose of dispersing carbon nanotubes (CNTs). Sonication is a reliable method to detangle and disperse single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as well as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). For instance, in order to produce a highly conductive thermoplastic polymer, high-purity (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; external diameter 9.5 nm; purity 95 +%) have been ultrasonically dispersed with the Hielscher UP200S for 30min. at room temperature. The ultrasonically dispersed Nanocyl® 3100 MWCNTs at a concentration of 1% w/w in the epoxy resin showed superior conductivity of approx. 1.5 × 10-2 S /m.

Υπερήχων διασπορά νανοσωματιδίων νικελίου

Νανοσωματίδια νικελίου μπορεί να παραχθεί με επιτυχία μέσω υπερήχων-αφομοιωμένη σύνθεση μείωσης υδραζίνης. Η οδός σύνθεσης αναγωγής υδραζίνης επιτρέπει την παρασκευή καθαρού μεταλλικού νανοσωματιδίου νικελίου με σφαιρικό σχήμα με τη χημική αναγωγή του χλωριούχου νικελίου με υδραζίνη. Η ερευνητική ομάδα του Adám απέδειξε ότι υπερήχους – χρησιμοποιώντας το κουμπί Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – ήταν σε θέση να διατηρήσει ένα μέσο μέγεθος πρωτογενούς κρυσταλλίτη (7-8 nm) ανεξάρτητα από την εφαρμοζόμενη θερμοκρασία, ενώ η χρήση έντονων και μικρότερων περιόδων υπερήχων θα μπορούσε να μειώσει τις solvodynamic διαμέτρους των δευτερογενών, συσσωματωμένων σωματιδίων από 710 nm σε 190 nm απουσία επιφανειοδραστικής ουσίας. Η υψηλότερη οξύτητα και καταλυτική δραστικότητα μετρήθηκαν για τα νανοσωματίδια που παρασκευάστηκαν με ήπια (ισχύς εξόδου 30 W) και συνεχή υπερηχογραφική επεξεργασία. Η καταλυτική συμπεριφορά των νανοσωματιδίων δοκιμάστηκε σε μια αντίδραση διασταυρούμενης σύζευξης Suzuki-Miyaura πάνω από πέντε δείγματα που παρασκευάστηκαν τόσο με τους συμβατικούς όσο και με τους υπερηχητικούς τρόπους. Οι υπερηχητικά παρασκευασμένοι καταλύτες συνήθως είχαν καλύτερη απόδοση και η υψηλότερη καταλυτική δραστηριότητα μετρήθηκε πάνω από τα νανοσωματίδια που παρασκευάστηκαν υπό συνεχή υπερήχηση χαμηλής ισχύος (30 W).
Η επεξεργασία με υπερήχους είχε κρίσιμες επιπτώσεις στην τάση συσσωμάτωσης των νανοσωματιδίων: η επίδραση ανασυγκρότησης των κατεστραμμένων κενών σπηλαίωσης με την έντονη μεταφορά μάζας θα μπορούσε να ξεπεράσει την ελκυστική ηλεκτροστατική των κατεστραμμένων κενών σπηλαίωσης με την έντονη μεταφορά μάζας θα μπορούσε να ξεπεράσει τις ελκυστικές ηλεκτροστατικές και van der Waals δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων.
(πρβλ. Adám et al. 2020)

Υπερήχων σύνθεση νανοσωματιδίων Wollastonite

Ο βολλαστονίτης είναι ένα ινοπυριτικό ορυκτό ασβεστίου με χημικό τύπο CaSiO3 Ο βολλαστονίτης χρησιμοποιείται ευρέως ως συστατικό για την παραγωγή τσιμέντου, γυαλιού, τούβλου και κεραμιδιού στον κατασκευαστικό κλάδο, ως ροή στη χύτευση χάλυβα καθώς και ως πρόσθετο στην κατασκευή επικαλύψεων και χρωμάτων. Για παράδειγμα, ο βολλαστονίτης παρέχει ενίσχυση, σκλήρυνση, χαμηλή απορρόφηση λαδιού και άλλες βελτιώσεις. Προκειμένου να αποκτηθούν άριστες ενισχυτικές ιδιότητες του βολλαστονίτη, είναι απαραίτητη η αποσυσσωμάτωση νανοκλίμακας και η ομοιόμορφη διασπορά.
Οι Dordane και Doroodmand (2021) απέδειξαν στις μελέτες τους ότι η υπερηχητική διασπορά είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει σημαντικά το μέγεθος και τη μορφολογία των νανοσωματιδίων βολλαστονίτη. Για να αξιολογηθεί η συμβολή της υπερήχησης στη νανο-διασπορά wollastonite, η ερευνητική ομάδα συνέθεσε νανοσωματίδια wollastonite με και χωρίς την εφαρμογή υπερήχων υψηλής ισχύος. Για τις δοκιμές υπερήχων τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το υπερήχων επεξεργαστή UP200H (Hielscher Υπέρηχοι) με συχνότητα 24 kHz για 45,0 λεπτά. Τα αποτελέσματα της υπερηχητικής νανο-διασποράς παρουσιάζονται στο SEM υψηλής ανάλυσης παρακάτω. Η εικόνα SEM δείχνει σαφώς ότι το δείγμα βολλαστονίτη πριν από τη θεραπεία με υπερήχους συσσωματώνεται και συγκεντρώνεται. μετά την υπερήχηση με τον υπερηχητικό UP200H το μέσο μέγεθος των σωματιδίων βολλαστονίτη είναι περίπου 10nm. Η μελέτη αποδεικνύει ότι η υπερηχητική διασπορά είναι μια αξιόπιστη και αποτελεσματική τεχνική για τη σύνθεση νανοσωματιδίων βολλαστονίτη. Το μέσο μέγεθος νανοσωματιδίων μπορεί να ελεγχθεί ρυθμίζοντας τις παραμέτρους επεξεργασίας υπερήχων.
(πρβλ. Dordane και Doroodmand, 2021)

SEM εικόνες των νανοσωματιδίων βολλαστονίτη (Α) πριν και (Β) μετά από υπερήχους χρησιμοποιώντας το υπερήχων επεξεργαστή UP200H για 45,0 λεπτά.
Μελέτη και εικόνα: ©Dordane και Doroodmand, 2021.

Υπερήχων Nanofiller διασπορά

Κατεργασία με υπερήχους είναι μια ευέλικτη μέθοδος για τη διασπορά και την αποσυσσωμάτωση νανοπληρωτών στα υγρά και τους πολτούς, π.χ. πολυμερή, εποξειδικές ρητίνες, σκληρυντές, θερμοπλαστικά κ.λπ. Ως εκ τούτου, η ηχοποίηση χρησιμοποιείται ευρέως ως μια εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδος διασποράς στο R&D και βιομηχανική παραγωγή.
Οι Zanghellini et al. (2021) διερεύνησαν την τεχνική υπερηχητικής διασποράς για νανοπληρωτικά σε εποξειδική ρητίνη. Θα μπορούσε να αποδείξει ότι η υπερήχηση ήταν σε θέση να διασκορπίσει μικρές και υψηλές συγκεντρώσεις νανοπληρωτών σε μια μήτρα πολυμερούς.
Συγκρίνοντας διάφορες συνθέσεις, το 0,5% κ.β. οξειδωμένο CNT έδειξε τα καλύτερα αποτελέσματα όλων των δειγμάτων με υπερήχους, αποκαλύπτοντας κατανομές μεγέθους των περισσότερων συσσωματωμάτων σε συγκρίσιμο εύρος με τρία δείγματα που παράγονται από κυλίνδρους, μια καλή σύνδεση με το σκληρυντικό, το σχηματισμό ενός δικτύου διήθησης μέσα στη διασπορά, το οποίο δείχνει προς τη σταθερότητα έναντι της καθίζησης και επομένως μια σωστή μακροπρόθεσμη σταθερότητα. Οι υψηλότερες ποσότητες πλήρωσης έδειξαν παρόμοια καλά αποτελέσματα, αλλά και το σχηματισμό πιο έντονων εσωτερικών δικτύων καθώς και κάπως μεγαλύτερων συσσωματωμάτων. Ακόμη και οι νανοΐνες άνθρακα (CNF) θα μπορούσαν να διασκορπιστούν επιτυχώς μέσω υπερήχων. Η άμεση διασπορά των νανοπληρωτικών στα συστήματα σκληρυντών χωρίς πρόσθετους διαλύτες επιτεύχθηκε με επιτυχία και έτσι μπορεί να θεωρηθεί ως μια εφαρμόσιμη μέθοδος για μια απλή και απλή διασπορά με δυνατότητα βιομηχανικής χρήσης. (πρβλ. Zanghellini et al., 2021)
 

Σύγκριση διαφορετικών νανοπληρωτών διασκορπισμένων στο σκληρυντικό (υπερηχητικός έλεγχος-US): (α) 0,5 % κ.β. νανοΐνες άνθρακα (CNF)- (β) 0,5 % κ.β. CNToxi- (γ) 0,5 % κ.β. νανοσωλήνας άνθρακα (CNT)- (δ) 0,5 % κ.β. CNT ημι-διασκορπισμένοι.
(Μελέτη και εικόνα: © Zanghellini et al., 2021)

Υπερήχων διασπορά νανοσωματιδίων – Επιστημονικά αποδεδειγμένο για ανωτερότητα

Η έρευνα δείχνει σε πολυάριθμες εξελιγμένες μελέτες ότι η διασπορά με υπερήχους είναι μια από τις ανώτερες τεχνικές για την αποσυγκόλληση και τη διανομή νανοσωματιδίων ακόμη και σε υψηλή συγκέντρωση σε υγρά. Για παράδειγμα, ο Vikash (2020) διερεύνησε τη διασπορά υψηλών φορτίων νανοπυριτίας σε ιξώδη υγρά χρησιμοποιώντας τον διασκορπιστή υπερήχων UP400S της Hielscher. Στη μελέτη του, καταλήγει στο συμπέρασμα ότι “η σταθερή και ομοιόμορφη διασπορά των νανοσωματιδίων μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση μιας συσκευής υπερηχητικού συντονισμού σε υψηλό στερεό φορτίο σε ιξώδη υγρά.” [Vikash, 2020]

Επεξεργαστές υπερήχων υψηλής απόδοσης για διασπορά νανοσωματιδίων

Hielscher Υπέρηχοι είναι αξιόπιστος προμηθευτής σας για αξιόπιστο εξοπλισμό υπερήχων υψηλής απόδοσης από εργαστήριο και πιλοτικό σε πλήρη βιομηχανικά συστήματα. Hielscher Υπέρηχοι’ Οι συσκευές διαθέτουν εξελιγμένο υλικό, έξυπνο λογισμικό και εξαιρετική φιλικότητα προς το χρήστη – σχεδιασμένο και κατασκευασμένο στη Γερμανία. Οι ισχυρές μηχανές υπερήχων της Hielscher για διασπορά, αποσυσσωμάτωση, σύνθεση νανοσωματιδίων και λειτουργικότητα μπορούν να λειτουργήσουν 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα/365 υπό πλήρες φορτίο. Ανάλογα με τη διαδικασία σας και την εγκατάσταση παραγωγής σας, υπερήχων μας μπορεί να τρέξει σε παρτίδα ή συνεχή in-line τρόπο. Διάφορα αξεσουάρ όπως sonotrodes (ανιχνευτές υπερήχων), ενισχυτικά κέρατα, κύτταρα ροής και αντιδραστήρες είναι άμεσα διαθέσιμα.
Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να λάβετε περισσότερες τεχνικές πληροφορίες, επιστημονικές μελέτες, πρωτόκολλα και μια προσφορά για τα υπερηχητικά συστήματα νανο-διασποράς μας! Το άρτια εκπαιδευμένο, έμπειρο προσωπικό μας θα χαρεί να συζητήσει μαζί σας τη νανο-εφαρμογή σας!

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: