Αξιόπιστη διασπορά νανοσωματιδίων για βιομηχανικές εφαρμογές

Η κατεργασία με υπερήχους υψηλής ισχύος μπορεί να διασπάσει αποτελεσματικά και αξιόπιστα τα συσσωματώματα σωματιδίων, ακόμη και να αποσαθρώσει πρωτογενή σωματίδια. Χάρη στην υψηλή τους απόδοση στη διασπορά, οι συσκευές υπερήχων τύπου καθετήρα χρησιμοποιούνται ως προτιμώμενη μέθοδος για τη δημιουργία ομοιογενών εναιωρημάτων νανοσωματιδίων.

Αξιόπιστη διασπορά νανοσωματιδίων με κατεργασία με υπερήχους

Πολλοί βιομηχανικοί κλάδοι απαιτούν την παρασκευή εναιωρημάτων με νανοσωματίδια. Τα νανοσωματίδια είναι στερεά με μέγεθος σωματιδίων μικρότερο από 100nm. Λόγω του εξαιρετικά μικρού μεγέθους τους, τα νανοσωματίδια παρουσιάζουν μοναδικές ιδιότητες, όπως εξαιρετική αντοχή, σκληρότητα, οπτικά χαρακτηριστικά, ολκιμότητα, αντοχή στην υπεριώδη ακτινοβολία, αγωγιμότητα, ηλεκτρικές και ηλεκτρομαγνητικές (EM) ιδιότητες, αντοχή στη διάβρωση, αντοχή στις γρατσουνιές και άλλα εξαιρετικά χαρακτηριστικά.
Οι υπέρηχοι υψηλής έντασης και χαμηλής συχνότητας δημιουργούν έντονη ακουστική σπηλαίωση, η οποία χαρακτηρίζεται από ακραίες συνθήκες, όπως δυνάμεις διάτμησης, πολύ υψηλές διαφορές πίεσης και θερμοκρασίας και τυρβώδη ροή. Αυτές οι δυνάμεις σπηλαίωσης επιταχύνουν τα σωματίδια, προκαλώντας συγκρούσεις μεταξύ τους και, κατά συνέπεια, τον θρυμματισμό τους. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνονται νανοδομημένα υλικά με στενή καμπύλη κατανομής μεγέθους σωματιδίων και ομοιόμορφη κατανομή.
Ο εξοπλισμός διασποράς με υπερήχους είναι κατάλληλος για την επεξεργασία κάθε είδους νανοϋλικών σε νερό και οργανικούς διαλύτες, με χαμηλό έως πολύ υψηλό ιξώδες.

Διασπορά νανοσωλήνων άνθρακα με υπερήχους

Οι διασπορείς υπερήχων χρησιμοποιούνται ευρέως για τη διασπορά νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs). Η κατεργασία με υπερήχους αποτελεί αξιόπιστη μέθοδο για την αποεμπλοκή και τη διασπορά τόσο νανοσωλήνων άνθρακα μονού τοιχώματος (SWCNTs) όσο και νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWCNTs). Για παράδειγμα, για την παραγωγή ενός θερμοπλαστικού πολυμερούς υψηλής αγωγιμότητας, νανοσωλήνες Nanocyl® 3100 υψηλής καθαρότητας (> 95%) (MWCNTs· εξωτερική διάμετρος 9,5 nm· καθαρότητα 95 +%) διασπάρθηκαν με υπερήχους με το Hielscher UP200S για 30min. σε θερμοκρασία δωματίου. Οι νανοσωλήνες Nanocyl® 3100 MWCNTs που διασπάρθηκαν με υπερήχους σε συγκέντρωση 1% w/w στην εποξειδική ρητίνη παρουσίασαν ανώτερη αγωγιμότητα περίπου 1,5 × 10-2 S /m.

Διασπορά νανοσωματιδίων νικελίου με υπερήχους

Τα νανοσωματίδια νικελίου μπορούν να παραχθούν επιτυχώς μέσω σύνθεσης με αναγωγή με υδραζίνη υποβοηθούμενης από υπερήχους. Η οδός σύνθεσης με αναγωγή με υδραζίνη επιτρέπει την παρασκευή καθαρών μεταλλικών νανοσωματιδίων νικελίου σφαιρικού σχήματος μέσω της χημικής αναγωγής του χλωριούχου νικελίου με υδραζίνη. Η ερευνητική ομάδα της Adám απέδειξε ότι η κατεργασία με υπερήχους – με χρήση του Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – μπόρεσε να διατηρήσει ένα μέσο μέγεθος πρωτογενών κρυσταλλιτών (7–8 nm) ανεξάρτητα από την εφαρμοζόμενη θερμοκρασία, ενώ η χρήση έντονων και συντομότερων περιόδων κατεργασίας με υπερήχους μπορούσε να μειώσει τις διαμέτρους των δευτερογενών, συσσωματωμένων σωματιδίων στο μέσο διασποράς από 710 nm σε 190 nm, χωρίς την παρουσία οποιασδήποτε επιφανειοδραστικής ουσίας. Η υψηλότερη οξύτητα και καταλυτική ενεργότητα μετρήθηκαν στα νανοσωματίδια που παρασκευάστηκαν με ήπια (ισχύς εξόδου 30 W) και συνεχή κατεργασία με υπερήχους. Η καταλυτική συμπεριφορά των νανοσωματιδίων δοκιμάστηκε σε αντίδραση διασταυρούμενης σύζευξης Suzuki-Miyaura σε πέντε δείγματα που παρασκευάστηκαν τόσο με συμβατικές μεθόδους όσο και με υπερήχους. Οι καταλύτες που παρασκευάστηκαν με υπερήχους συνήθως παρουσίαζαν καλύτερες επιδόσεις, και η υψηλότερη καταλυτική ενεργότητα μετρήθηκε στα νανοσωματίδια που παρασκευάστηκαν με συνεχή κατεργασία με υπερήχους χαμηλής ισχύος (30 W).
Η κατεργασία με υπερήχους είχε καθοριστικές επιδράσεις στην τάση συσσωμάτωσης των νανοσωματιδίων: η επίδραση αποκατακερματισμού των κατεστραμμένων κοιλοτήτων σπηλαίωσης με την έντονη μεταφορά μάζας μπορούσε να υπερνικήσει την ελκτική ηλεκτροστατική επίδραση των κατεστραμμένων κοιλοτήτων σπηλαίωσης με την έντονη μεταφορά μάζας μπορούσε να υπερνικήσει τις ελκτικές ηλεκτροστατικές δυνάμεις και τις δυνάμεις van der Waals μεταξύ των σωματιδίων.
(πρβλ. Adám et al. 2020)

Σύνθεση νανοσωματιδίων βολλαστονίτη με υπερήχους

Ο βολλαστονίτης είναι ένα ινοπυριτικό ορυκτό ασβεστίου με χημικό τύπο CaSiO3 Ο βολλαστονίτης χρησιμοποιείται ευρέως ως συστατικό για την παραγωγή τσιμέντου, γυαλιού, τούβλων και πλακιδίων στον κατασκευαστικό κλάδο, ως συλλίπασμα στη χύτευση χάλυβα, καθώς και ως πρόσθετο στην παραγωγή επιστρώσεων και χρωμάτων. Για παράδειγμα, ο βολλαστονίτης προσφέρει ενίσχυση, σκλήρυνση, χαμηλή απορρόφηση ελαίου και άλλες βελτιώσεις. Για την επίτευξη εξαιρετικών ενισχυτικών ιδιοτήτων του βολλαστονίτη, είναι απαραίτητες η αποσυσσωμάτωση στη νανοκλίμακα και η ομοιόμορφη διασπορά.
Οι Dordane και Doroodmand (2021) απέδειξαν στις μελέτες τους ότι η διασπορά με υπερήχους είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει σημαντικά το μέγεθος και τη μορφολογία των νανοσωματιδίων βολλαστονίτη. Για να αξιολογήσει τη συμβολή της κατεργασίας με υπερήχους στη νανοδιασπορά του βολλαστονίτη, η ερευνητική ομάδα συνέθεσε νανοσωματίδια βολλαστονίτη με και χωρίς την εφαρμογή υπερήχων υψηλής ισχύος. Για τις δοκιμές κατεργασίας με υπερήχους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον επεξεργαστή υπερήχων UP200H (Hielscher Ultrasonics) με συχνότητα 24 kHz για 45,0 min. Τα αποτελέσματα της νανοδιασποράς με υπερήχους παρουσιάζονται στην παρακάτω εικόνα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) υψηλής ανάλυσης. Η εικόνα SEM δείχνει ξεκάθαρα ότι το δείγμα βολλαστονίτη πριν από την κατεργασία με υπερήχους εμφανίζει συσσωρεύσεις και συσσωματώματα· μετά την κατεργασία με τη συσκευή υπερήχων UP200H, το μέσο μέγεθος των σωματιδίων βολλαστονίτη είναι περίπου 10nm. Η μελέτη αποδεικνύει ότι η διασπορά με υπερήχους είναι μια αξιόπιστη και αποδοτική τεχνική για τη σύνθεση νανοσωματιδίων βολλαστονίτη. Το μέσο μέγεθος των νανοσωματιδίων μπορεί να ελεγχθεί με τη ρύθμιση των παραμέτρων κατεργασίας με υπερήχους.
(πρβλ. Dordane και Doroodmand, 2021)

Εικόνες SEM των νανοσωματιδίων βολλαστονίτη (A) πριν και (B) μετά την κατεργασία με υπερήχους με χρήση του επεξεργαστή υπερήχων UP200H για 45,0 min.
Μελέτη και εικόνα: ©Dordane και Doroodmand, 2021.

Διασπορά νανοπληρωτικών υλικών με υπερήχους

Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια ευέλικτη μέθοδος για τη διασπορά και την αποσυσσωμάτωση νανοπληρωτικών σε υγρά και πολτούς, π.χ. πολυμερή, εποξειδικές ρητίνες, σκληρυντές, θερμοπλαστικά κ.λπ. Ως εκ τούτου, η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται ευρέως ως ιδιαίτερα αποδοτική μέθοδος διασποράς στην έρευνα και ανάπτυξη και στη βιομηχανική παραγωγή.
Οι Zanghellini et al. (2021) διερεύνησαν την τεχνική διασποράς με υπερήχους για νανοπληρωτικά σε εποξειδική ρητίνη. Μπόρεσε να αποδείξει ότι η κατεργασία με υπερήχους ήταν ικανή να διασπείρει νανοπληρωτικά σε χαμηλές και υψηλές συγκεντρώσεις μέσα σε μια πολυμερική μήτρα.
Κατά τη σύγκριση διαφόρων συνθέσεων, τα οξειδωμένα CNT σε περιεκτικότητα 0,5 wt% παρουσίασαν τα καλύτερα αποτελέσματα από όλα τα δείγματα που υποβλήθηκαν σε κατεργασία με υπερήχους, εμφανίζοντας κατανομές μεγέθους των περισσότερων συσσωματωμάτων σε εύρος συγκρίσιμο με εκείνο των δειγμάτων που παρασκευάστηκαν με μύλο τριών κυλίνδρων, καλή σύνδεση με τον σκληρυντή και σχηματισμό δικτύου περκολασμού μέσα στη διασπορά, γεγονός που υποδηλώνει σταθερότητα έναντι της καθίζησης και, συνεπώς, ικανοποιητική μακροχρόνια σταθερότητα. Υψηλότερες ποσότητες πληρωτικού παρουσίασαν παρόμοια καλά αποτελέσματα, αλλά και σχηματισμό πιο έντονων εσωτερικών δικτύων, καθώς και κάπως μεγαλύτερων συσσωματωμάτων. Ακόμη και νανοΐνες άνθρακα (CNF) μπόρεσαν να διασπαρούν επιτυχώς μέσω κατεργασίας με υπερήχους. Επιτεύχθηκε επιτυχώς άμεση διασπορά νανοπληρωτικών με υπερήχους (US) στα συστήματα σκληρυντών χωρίς πρόσθετους διαλύτες και, επομένως, μπορεί να θεωρηθεί εφαρμόσιμη μέθοδος για απλή και άμεση διασπορά με δυνατότητα βιομηχανικής χρήσης. (βλ. Zanghellini et al., 2021)
 

Σύγκριση διαφορετικών νανοπληρωτικών που έχουν διασπαρεί σε σκληρυντή (κατεργασία με υπερήχους–US): (a) 0,5 wt% νανοΐνες άνθρακα (CNF)· (b) 0,5 wt% CNToxi· (c) 0,5 wt% νανοσωλήνες άνθρακα (CNT)· (d) 0,5 wt% μερικώς διασπαρμένα CNT.
(Μελέτη και εικόνα: © Zanghellini et al., 2021)

Διασπορά νανοσωματιδίων με υπερήχους – Επιστημονικά αποδεδειγμένη υπεροχή

Η έρευνα δείχνει, μέσα από πολυάριθμες εξελιγμένες μελέτες, ότι η διασπορά με υπερήχους είναι μία από τις ανώτερες τεχνικές για την αποσυσσωμάτωση και την κατανομή νανοσωματιδίων σε υγρά, ακόμη και σε υψηλή συγκέντρωση. Για παράδειγμα, ο Vikash (2020) διερεύνησε τη διασπορά υψηλών φορτίσεων νανοπυριτίας σε ιξώδη υγρά χρησιμοποιώντας τον διασπορέα υπερήχων UP400S της Hielscher. Στη μελέτη του καταλήγει στο συμπέρασμα ότι «η σταθερή και ομοιόμορφη διασπορά νανοσωματιδίων μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας συσκευή κατεργασίας με υπερήχους σε υψηλή φόρτιση στερεών σε ιξώδη υγρά». [Vikash, 2020]

Επεξεργαστές υπερήχων υψηλής απόδοσης για τη διασπορά νανοσωματιδίων

Η Hielscher Ultrasonics είναι ο έμπιστος προμηθευτής σας για αξιόπιστο εξοπλισμό υπερήχων υψηλής απόδοσης, από εργαστηριακά και πιλοτικά έως πλήρως βιομηχανικά συστήματα. Οι συσκευές της Hielscher Ultrasonics διαθέτουν προηγμένο υλικό, έξυπνο λογισμικό και εξαιρετική ευχρηστία – σχεδιάζονται και κατασκευάζονται στη Γερμανία. Τα ανθεκτικά μηχανήματα υπερήχων της Hielscher για διασπορά, αποσυσσωμάτωση, σύνθεση και λειτουργικοποίηση νανοσωματιδίων μπορούν να λειτουργούν 24/7/365 υπό πλήρες φορτίο. Ανάλογα με τη διεργασία και την εγκατάσταση παραγωγής σας, οι συσκευές υπερήχων μας μπορούν να λειτουργούν κατά παρτίδες ή σε συνεχή λειτουργία εντός γραμμής. Διάφορα παρελκόμενα, όπως ηχοτρόδια (κεφαλές υπερήχων), ενισχυτές πλάτους, κυψελίδες ροής και αντιδραστήρες, είναι άμεσα διαθέσιμα.
Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για περισσότερες τεχνικές πληροφορίες, επιστημονικές μελέτες, πρωτόκολλα και μια προσφορά για τα συστήματα νανοδιασποράς με υπερήχους που διαθέτουμε! Το άρτια εκπαιδευμένο προσωπικό μας, με πολυετή εμπειρία, θα χαρεί να συζητήσει μαζί σας την εφαρμογή νανοτεχνολογίας σας!

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