Dispersión ultrasónica de nanomateriales (nanopartículas)
Los nanomateriales se han convertido en un componente integral de productos tan diversos como los materiales de alto rendimiento, los protectores solares, los revestimientos de alto rendimiento o los compuestos plásticos. La cavitación ultrasónica se utiliza para dispersar partículas de tamaño nanométrico en líquidos, como agua, aceite, disolventes o resinas.
Dispersión ultrasónica de nanopartículas
La aplicación de Dispersión ultrasónica de nanopartículas tiene múltiples efectos. El más obvio es la dispersión de materiales en líquidos para romper los aglomerados de partículas. Otro proceso es la aplicación de ultrasonidos durante síntesis o precipitación de partículas. Generalmente, esto conduce a partículas más pequeñas y a una mayor uniformidad de tamaño. Cavitación ultrasónica mejora también la transferencia de material en la superficie de las partículas. Este efecto puede aprovecharse para mejorar la superficie funcionalización de materiales con una elevada superficie específica.
Dispersión y reducción de tamaño de nanomateriales
Nanomateriales, por ejemplo, óxidos metálicos, nanoarcillas o nanotubos de carbono tienden a aglomerarse cuando se mezclan en un líquido. Medios eficaces para desaglomerar y Dispersión son necesarios para superar las fuerzas de unión tras humedecer el polvo. La ruptura por ultrasonidos de las estructuras aglomeradas en suspensiones acuosas y no acuosas permite aprovechar todo el potencial de los materiales de tamaño nanométrico. Las investigaciones en diversas dispersiones de aglomerados nanoparticulados con un contenido variable de sólidos han demostrado la considerable ventaja de los ultrasonidos en comparación con otras tecnologías, como los mezcladores rotor-estator (por ejemplo, ultra turrax), los homogeneizadores de pistón o los métodos de molienda húmeda, como los molinos de bolas o los molinos coloidales. Los sistemas ultrasónicos de Hielscher pueden funcionar con concentraciones de sólidos bastante elevadas. Por ejemplo, para Sílice la tasa de rotura resultó ser independiente de la concentración de sólidos de hasta el 50 en peso. Los ultrasonidos pueden aplicarse para la dispersión de lotes maestros de alta concentración, procesando líquidos de baja y alta viscosidad. Esto hace que el ultrasonido sea una buena solución de procesamiento para pinturas y revestimientos, basados en diferentes medios, como agua, resina o aceite.
Homogeneizador ultrasónico UP400St para nano-dispersiones
Cavitación ultrasónica
La dispersión y la desaglomeración por ultrasonidos son el resultado de la cavitación ultrasónica. Cuando se exponen líquidos a ultrasonidos, las ondas sonoras que se propagan en el líquido dan lugar a ciclos alternos de alta y baja presión. Esto aplica una tensión mecánica sobre las fuerzas de atracción entre las partículas individuales. Cavitación ultrasónica en líquidos provoca chorros de líquido a alta velocidad de hasta 1000 km/h (aprox. 600 mph). Estos chorros presionan el líquido a alta presión entre las partículas y las separan unas de otras. Las partículas más pequeñas se aceleran con los chorros de líquido y chocan a gran velocidad. Esto convierte a los ultrasonidos en un medio eficaz para la dispersión, pero también para la Pulverizar de partículas de tamaño micrométrico y submicrométrico.
Síntesis / precipitación de partículas asistida por ultrasonidos
Las nanopartículas pueden generarse de abajo arriba por síntesis o precipitación. La sonoquímica es una de las primeras técnicas utilizadas para preparar compuestos de tamaño nanométrico. Suslick, en su trabajo original, sonicó Fe(CO)5 como líquido puro o en una solución deaclina y se obtuvieron nanopartículas de hierro amorfo de 10-20nm de tamaño. En general, una mezcla sobresaturada empieza a formar partículas sólidas a partir de un material muy concentrado. La ultrasonicación mejora la mezcla de los precursores y aumenta la transferencia de masa en la superficie de las partículas. Esto conduce a un menor tamaño de las partículas y a una mayor uniformidad.
UIP2000hdTun potente ultrasonido de 2 kW para dispersar los SWCNT.
Funcionalización de superficies mediante ultrasonidos
Muchos nanomateriales, como los óxidos metálicos, tinta de chorro y pigmentos de tóner, o rellenos para el rendimiento Recubrimientosrequieren una funcionalización de la superficie. Para funcionalizar la superficie completa de cada partícula individual, se requiere un buen método de dispersión. Cuando se dispersan, las partículas suelen estar rodeadas por una capa límite de moléculas atraídas por la superficie de la partícula. Para que los nuevos grupos funcionales lleguen a la superficie de la partícula, es necesario romper o eliminar esta capa límite. Los chorros de líquido resultantes de la cavitación ultrasónica pueden alcanzar velocidades de hasta 1.000 km/hora. Esta tensión ayuda a superar las fuerzas de atracción y transporta las moléculas funcionales a la superficie de la partícula. En SonoquímicaEste efecto se utiliza para mejorar el rendimiento de los catalizadores dispersos.
Ultrasonidos antes de la medición del tamaño de las partículas
La ultrasonicación de muestras mejora la precisión de la medición del tamaño de las partículas o la morfología. El nuevo SonoStep combina ultrasonidos, agitación y bombeo de muestras en un diseño compacto. Es fácil de manejar y puede utilizarse para enviar muestras sonicadas a dispositivos analíticos, como analizadores de tamaño de partículas. La intensa sonicación ayuda a dispersar las partículas aglomeradas, lo que permite obtener resultados más uniformes.Haga clic aquí para obtener más información.
Procesado por ultrasonidos a escala de laboratorio y de producción
Los procesadores ultrasónicos y las celdas de flujo para desaglomeración y dispersión están disponibles para Laboratorio y Producción nivel. Los sistemas industriales pueden reequiparse fácilmente para trabajar en línea. Para la investigación y el desarrollo de procesos recomendamos utilizar el UIP1000hd (1.000 vatios).
Hielscher ofrece una amplia gama de dispositivos ultrasónicos y accesorios para la dispersión eficaz de nanomateriales, por ejemplo, en pinturas, tintas y revestimientos.
- Aparatos compactos de laboratorio de hasta 400 vatios de potencia.
Estos dispositivos se utilizan principalmente para la preparación de muestras o estudios iniciales de viabilidad y están disponibles para alquiler. - 500 y 1000 y 2000 vatios de potencia con procesadores ultrasónicos como el Conjunto UIP1000hd con célula de flujo y varias bocinas de refuerzo y sonotrodos puede procesar flujos de mayor volumen.
Los dispositivos de este tipo se utilizan en la optimización de los parámetros (como: amplitud, presión operativa, caudal, etc.) a escala de banco o de planta piloto. - Procesadores ultrasónicos de 2kW, 4 kW, 10 kW y 16 kW y grupos más potentes compuestos por varias unidades pueden procesar flujos para casi cualquier nivel de producción.
Se alquilan equipos de banco en buenas condiciones para realizar ensayos de procesos. Los resultados de estos ensayos pueden escalarse linealmente hasta el nivel de producción, lo que reduce el riesgo y los costes que conlleva el desarrollo del proceso. Estaremos encantados de atenderle en línea, por teléfono o personalmente. Consulte nuestras direcciones aquío utilice el siguiente formulario.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min. | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min. | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000 |
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Nanomateriales – Información general
Los nanomateriales son materiales de menos de 100 nm de tamaño. Están progresando rápidamente en las formulaciones de pinturas, tintas y revestimientos. Los nanomateriales se dividen en tres grandes categorías: óxidos metálicos, nanoarcillas y nanotubos de carbono. Las nanopartículas de óxido metálico, incluyen óxido de zinc a nanoescala, óxido de titanio, óxido de hierro, óxido de cerio y óxido de circonio, así como compuestos de metales mixtos como óxido de indio-estaño y circonio y titanio, así como compuestos de metales mixtos como óxido de indio-estaño. Este pequeño asunto tiene repercusiones en muchas disciplinas, como la física, Química y la biología. En pinturas y revestimientos, los nanomateriales satisfacen necesidades decorativas (por ejemplo, color y brillo), funcionales (por ejemplo, conductividad, inactivación microbiana) y mejoran la protección (por ejemplo, resistencia al rayado, estabilidad a los rayos UV) de pinturas y revestimientos. En particular, los óxidos metálicos de tamaño nanométrico, como TiO2 y ZnO o Alúmina, Ceria y Sílice y los pigmentos nanométricos encuentran aplicación en nuevas formulaciones de pinturas y revestimientos.
Cuando la materia reduce su tamaño, cambia sus características, como el color y la interacción con otras materias, como la reactividad química. El cambio de las características se debe al cambio de las propiedades electrónicas. Por el Reducción del tamaño de partículasLa superficie del material aumenta. Debido a ello, un mayor porcentaje de los átomos puede interactuar con otra materia, por ejemplo, con la matriz de las resinas.
La actividad superficial es un aspecto clave de los nanomateriales. La aglomeración y la agregación bloquean la superficie del contacto con otra materia. Sólo las partículas bien dispersas o monodispersas permiten utilizar todo el potencial beneficioso de la materia. En consecuencia, una buena dispersión reduce la cantidad de nanomateriales necesarios para conseguir los mismos efectos. Como la mayoría de los nanomateriales son todavía bastante caros, este aspecto es de gran importancia para la comercialización de formulaciones de productos que contengan nanomateriales. En la actualidad, muchos nanomateriales se producen mediante un proceso en seco. Como consecuencia, las partículas deben mezclarse en formulaciones líquidas. Aquí es donde la mayoría de las nanopartículas forman aglomerados durante la humectación. Especialmente nanotubos de carbono son muy cohesivas, lo que dificulta su dispersión en líquidos, como agua, etanol, aceite, polímero o resina epoxi. Los dispositivos de procesamiento convencionales, como los mezcladores de alto cizallamiento o rotor-estator, los homogeneizadores de alta presión o los molinos coloidales y de disco, no consiguen separar las nanopartículas en partículas discretas. En particular, para la materia pequeña, desde varios nanómetros hasta un par de micras, la cavitación ultrasónica es muy eficaz para romper aglomerados, agregados e incluso primarios. Cuando se utilizan ultrasonidos para la Pulverizar de lotes de alta concentración, las corrientes de chorros de líquido resultantes de la cavitación ultrasónica, hacen que las partículas choquen entre sí a velocidades de hasta 1000km/h. Esto rompe las fuerzas de van der Waals en los aglomerados e incluso en las partículas primarias.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.