Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Dispositivos ultrasónicos para dispersar nanomateriales

Los nanomateriales se han convertido en un componente integral de productos tan diversos como filtros solares, revestimientos de altas prestaciones o composites plásticos. La cavitación ultrasónica se emplea para dispersar partículas de tamaño nanométrico en líquidos, como agua, aceite, disolventes o resinas.

Homogeneizador ultrasónico UP200S para disperar partículas

La aplicación de ultrasonidos en nanomateriales tiene múltiples efectos. El más obvio es la dispersión de materiales en líquidos con el fin de romper los aglomerados de partículas. Otro uso es la aplicación de ultrasonidos durante la síntesis o precipitación de partículas. Generalmente, esto da como resultado a partículas más pequeñas y a un aumento en la uniformidad de su tamaño. cavitación ultrasónica mejora también la transferencia de masa en las superficies de las partículas. Esto se puede utilizar para mejorar la funcionalización de superficies en materiales con una elevada área específica.

Dispersión y reducción de tamaño con nanomateriales

Dióxido de titanio en polvo de Degussa antes y después del procesado cavitacional ultrasónico.Los nanomateriales, por ejemplo, óxidos metálicos, nanoarcillas o nanotubos de carbono tienden a aglomerarse cuando se mezclan en un líquido. Un medio eficaz para su desaglomeración y dispersión es necesario para vencer las fuerzas de enlace después de hidratar el polvo. La ruptura de los aglomerados por ultrasonidos en suspensiones acuosas y no acuosas permite aprovechar todo el potencial de los materiales de tamaño nanométrico. Investigaciones sobre la dispersión de diferentes aglomerados de nanopartículas con un contenido de sólidos variable han demostrado la considerable ventaja de los ultrasonidos frente a otras tecnologías, como mezcladores de rotor-estator (por ejemplo, Ultra Turrax), homogeneizadores de pistón o métodos de molienda húmeda, molinos de bolas o coloidales. Los sistemas ultrasónicos de Hielscher pueden procesar concentraciones bastante altas de sólidos. Por ejemplo, para sílice se descubrió que la tasa de rotura y dispersión es independiente de la concentración de sólidos hasta un 50 % en peso. Los ultrasonidos se pueden emplear para dispersar lotes madre de alta concentración - con líquidos de baja y alta viscosidad. Esto convierte a los ultrasonidos en una excelente solución para el procesamiento de pinturas y revestimientos, con diferentes bases, como agua, resina o aceite.

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Cavitación acústica

Cavitación ultrasónica en agua causada por una intensa sonicaciónLa dispersión y desaglomeración por ultrasonidos son el resultado de la cavitación ultrasónica. Cuando se exponen líquidos a los ultrasonidos, las ondas acústicas que se propagan a través del líquido general una alternancia de ciclos de alta y baja presión. Esto ejerce tensión mecánica sobre las fuerzas de atracción entre partículas individuales. La cavitación ultrasónica en líquidos produce chorros de líquido una alta velocidad de hasta 1000 km/h (aproximadamente, 600 mph). Estos chorros comprimen a alta presión el líquido entre partículas y las separa unas de otras. Por otro lado, las partículas más pequeñas son arrastradas por los chorros de líquido y chocan a altas velocidades. Esto hace de los ultrasonidos un medio eficaz no sólo para la dispersión, sino también para la pulverización de partículas de tamaño micrométrico y submicrométrico.

Síntesis/Precipitación de partículas asistida por ultrasonidos

Optimized sono-chemical reactor (Banert et al., 2006)Se pueden generar nanopartículas por síntesis bottom-up o precipitación. La sonoquímica es una de las primeras herramientas utilizadas para preparar nanocompuestos. En uno de sus trabajos, Suslick sonicó Fe(CO)5 en soluciones concentradas y diluidas y obtuvo nanopartículas de hierro amorfas con un tamaño de 10-20 nm. Generalmente, una mezcla supersaturada comienza a formar partículas sólidas a partir de un material altamente concentrado. Los ultrasonidos mejoran la mezcla de los precursores y aumenta la transferencia de masa en la superficie de las partículas. Esto da como resultado un tamaño de partícula más pequeño y uniforme.

Haga clic aquí para leer más sobre la precipitación de nanomateriales asistida por ultrasonidos.

La funcionalización de superficies por ultrasonidos

Muchos nanomateriales, como óxidos metálicos, tintas de inyección y pigmentos de tóner, o aditivos para recubrimientosde altas prestaciones, requieren la funcionalización de su superficie. Para funcionalizar toda la superficie de cada partícula individual se necesita un buen método de dispersión. Cuando están dispersas, las partículas se encuentran normalmente rodeadas por una capa límite de moléculas atraídas a su superficie. Con el fin de que nuevos grupos funcionales pueden llegar a la superficie de la partícula, esta capa límite tiene se ha de romper o retirar. Los chorros de líquido resultantes de la cavitación ultrasónica pueden alcanzar velocidades de hasta 1000 km/h. Este estrés ayuda a superar las fuerzas de atracción y dirige las moléculas funcionales hacia la superficie de las partículas. En sonoquímicaeste efecto se utiliza para mejorar el rendimiento de catalizadores dispersados.

Sonicación antes de la medición del tamaño de partícula

Bombeo, agitación y sonicación todo en uno con el dispositivo ultrasónico SonoStep (Clic para ampliar)

La ultrasonicación de muestras mejora la exactitud en la medición del tamaño y morfología de partículas. El nuevo SonoStep combina ultrasonidos, agitación y bombeo de muestras en un aparato compacto. Es sencillo de operar y se puede utilizar para alimentar dispositivos analíticos con muestras sonicadas como, por ejemplo, analizadores del tamaño partículas. Una intensa sonicación ayuda a dispersar partículas aglomeradas permitiendo así conseguir resultados más coherentes.¡Haga clic aquí para leer más!

Procesamiento por ultrasonidos a escala de laboratorio e industrial

Ofrecemos procesadores de ultrasonidos y reactores de flujo para la desaglomeración y dispersión de partículas tanto a nivel de laboratorio y producción . Los sistemas industriales se pueden adaptar fácilmente para trabajar en continuo. Para proyectos de investigación con desarrollo de procesos, se recomienda utilizar el UIP1000hdT (1000 vatios).

Hielscher ofrece una amplia gama de dispositivos ultrasónicos y accesorios para la dispersión eficiente de nanomateriales, por ejemplo, pinturas, tintas y revestimientos.

  • Aparatos de laboratorio compactos de hasta 400 vatios de potencia
    Estos dispositivos se utilizan principalmente para la preparación de muestras o en los estudios iniciales de viabilidad y están generalmente disponibles en régimen de alquiler en Europa y Estados Unidos.
  • 500 y 1000 y 2000 vatios de potencia con procesadores ultrasónicos como el conjunto UIP1000hdT con reactor de flujo y varios amplificadores y sonotrodos pueden procesar caudales mayores.
    Estos dispositivos se utilizan en la optimización de parámetros procesales (como amplitud, presión operativa, velocidad de flujo, etc.) en el laboratorio o a escala piloto.
  • Los procesadores de ultrasonidos de 2, 4, 10 y 16 kW y grupos más potentes compuestos por varias unidades pueden procesar caudales para casi cualquier nivel de producción.

Los equipos piloto están disponibles para su alquiler bajo condiciones ventajosas para realizar ensayos de proceso. Los resultados de estos ensayos se pueden escalar linealmente - reduciendo el riesgo y los costos involucrados en el desarrollo del proceso. Estaremos encantados de ayudarle por correo electrónico, teléfono o personalmente. Encontrará nuestras direcciones aquío puede utilizar también el siguiente formulario.

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Referencias


Aharon Gedanken (2004): Using sonochemistry for the fabrication of nanomaterials, Ultrasonic Sonochemistry Invited Contributions, 2004 Elsevier B.V.

Nanomateriales – antecedentes

Los nanomateriales son materiales con un tamaño inferior a 100 nm. Cada vez se utilizan más para formulaciones de pinturas, tintas y revestimientos. Los nanomateriales se dividen en tres grandes categorías: óxidos metálicos, nanoarcillas, y nanotubos de carbono. Las nanopartículas de óxidos metálicos incluyen óxido zinc, óxido de titanio, óxido de hierro, óxido de cerio y óxido de circonio a escala nano, así como compuestos metálicos mixtos como óxido de indio-estaño, circonio y titanio y óxido de indio-titanio. Estos pequeños materiales tienen sin embargo un gran impacto en muchas disciplinas, como la física, química y biología. Para pinturas y revestimientos, los nanomateriales pueden cubrir necesidades de decoración (por ejemplo, color y brillo), con fines funcionales (por ejemplo, conductividad, inactivación microbiana) y mejorar el grado de protección (por ejemplo, resistencia al rayado, estabilidad UV). En concreto, los nano-óxidos metálicos, como TiO2, ZnO, alúmina, cerio y sílice y nanopigmentos se emplean en las nuevas formulaciones de pinturas y recubrimientos.

Cuando la materia se reduce en tamaño cambia sus características, como el color y la interacción y reactividad química con otras sustancias . El cambio en estas características es causada por el cambio de las propiedades electrónicas. Por la la reducción del tamaño de las partículas, su área superficial aumenta. Por ello, un mayor porcentaje de los átomos puede interactuar con otras sustancias, por ejemplo, con la matriz de resinas.

La actividad superficial es un aspecto clave de los nanomateriales. Los fenómenos de aglomeración y agregación bloquean la superficie de contacto con otras moléculas. Solo las partículas que se han dispersado bien o se han dispersado de forma individual permiten sacar partido de todo su potencial. Es decir, una buena dispersión permite reducir la cantidad de nanomateriales necesarios, logrando sin embargo los mismos efectos. Como la mayoría de los nanomateriales todavía son bastante caros, este aspecto es de gran importancia para la comercialización de formulaciones que los contienen. Hoy en día, muchos nanomateriales se producen en un proceso seco. Como resultado, las partículas deben mezclarse con líquidos. Aquí es donde la mayoría de las nanopartículas forman aglomerados durante la humectación. En concreto, los nanotubos de carbono son muy cohesivos, lo que hace difícil dispersarlos en líquidos como agua, etanol, aceite, polímeros o resinas epoxi. Los dispositivos de procesamiento convencionales, por ejemplo, de alto cizallamiento o rotor-estator, homogeneizadores de alta presión o molinos coloidales y de disco fallan en separación de las nanopartículas en partículas discretas. Para aglomerados de varios nanómetros hasta un par de micras, la cavitación ultrasónica es más eficaz para romper aglomerados incluso partículas primarias. Cuando los ultrasonidos se utilizan para la pulverización de lotes con alta concentración, los chorros líquidos resultantes de la cavitación ultrasónica hacen que las partículas colisionen entre sí a velocidades de hasta 1000 km/h. Esto rompe las fuerzas de van der Waals en los aglomerados e incluso las partículas primarias.