Dispersión ultrasónica de nanomateriales (nanopartículas)
Los nanomateriales se han convertido en un componente esencial de productos tan diversos como los materiales de alto rendimiento, los protectores solares, los recubrimientos de altas prestaciones 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 la dispersión ultrasónica de nanopartículas tiene múltiples efectos. El más evidente es la dispersión de materiales en líquidos para romper los aglomerados de partículas. Otro proceso es la aplicación de ultrasonidos durante la síntesis o precipitación de partículas. Por lo general, esto da lugar a partículas más pequeñas y a una mayor uniformidad de tamaño. La cavitación ultrasónica también mejora la transferencia de materia en las superficies de las partículas. Este efecto puede utilizarse para mejorar la funcionalización superficial de materiales con una elevada superficie específica.
Dispersión y reducción de tamaño de nanomateriales
Los nanomateriales, como los óxidos metálicos, las nanoarcillas o los nanotubos de carbono tienden a aglomerarse cuando se mezclan con un líquido. Se necesitan métodos eficaces de desaglomeración y dispersión para superar las fuerzas de unión tras la humectación del polvo. La ruptura ultrasónica de las estructuras de los aglomerados en suspensiones acuosas y no acuosas permite aprovechar todo el potencial de los materiales de tamaño nanométrico. Las investigaciones realizadas con diversas dispersiones de aglomerados de nanopartículas con un contenido variable de sólidos han demostrado la considerable ventaja de los ultrasonidos frente a otras tecnologías, como los mezcladores de rotor-estator (p. ej., ultra turrax), los homogeneizadores de pistón o los métodos de molienda en húmedo, como los molinos de perlas o los molinos coloidales. Los sistemas ultrasónicos de Hielscher pueden funcionar con concentraciones de sólidos bastante elevadas. Por ejemplo, en el caso de la sílice se comprobó que la tasa de ruptura era independiente de la concentración de sólidos hasta el 50% en peso. Los ultrasonidos pueden utilizarse para dispersar mezclas maestras de alta concentración –procesando líquidos de baja y alta viscosidad–. Esto convierte a los ultrasonidos en una solución de procesamiento adecuada para pinturas y recubrimientos basados en distintos medios, como agua, resina o aceite.
Homogeneizador ultrasónico UP400St para nanodispersiones
Cavitación ultrasónica
La dispersión y la desaglomeración mediante sonicación son el resultado de la cavitación ultrasónica. Al exponer los líquidos a ultrasonidos, las ondas sonoras que se propagan por el líquido generan ciclos alternos de alta y baja presión. Esto ejerce esfuerzos mecánicos sobre las fuerzas de atracción entre las partículas individuales. La cavitación ultrasónica en líquidos genera chorros de líquido de alta velocidad que alcanzan hasta 1000 km/hr (aprox. 600mph). Estos chorros fuerzan la entrada del líquido a alta presión entre las partículas y las separan unas de otras. Las partículas más pequeñas son aceleradas por los chorros de líquido y colisionan a altas velocidades. Esto convierte a los ultrasonidos en un medio eficaz tanto para la dispersión como para la molienda de partículas de tamaño micrométrico y submicrométrico.
Síntesis / precipitación de partículas asistida por ultrasonidos
Las nanopartículas pueden generarse mediante un enfoque ascendente por síntesis o precipitación. La sonoquímica es una de las primeras técnicas utilizadas para preparar compuestos de tamaño nanométrico. En su trabajo original, Suslick sonicó Fe(CO)5 como líquido puro o en una solución de deaclin y obtuvo nanopartículas de hierro amorfo de 10-20 nm de tamaño. Por lo general, una mezcla sobresaturada comienza a formar partículas sólidas a partir de un material muy concentrado. La sonicación mejora la mezcla de los precursores y aumenta la transferencia de masa en la superficie de las partículas. Esto da lugar a partículas de menor tamaño y a una mayor uniformidad.
UIP2000hdT, un potente sonicador de 2 kW para dispersar SWCNTs.
Funcionalización superficial mediante ultrasonidos
Muchos nanomateriales, como los óxidos metálicos, tintas de inyección y los pigmentos de tóner, o las cargas para recubrimientos de altas prestaciones, requieren funcionalización superficial. Para funcionalizar toda la superficie de cada partícula individual, se necesita un buen método de dispersión. Cuando están dispersas, las partículas suelen estar rodeadas por una capa límite de moléculas atraídas hacia su superficie. Para que nuevos grupos funcionales lleguen a la superficie de las partículas, esta capa límite debe romperse o eliminarse. Los chorros de líquido generados por la cavitación ultrasónica pueden alcanzar velocidades de hasta 1000 km/hr. Este esfuerzo ayuda a superar las fuerzas de atracción y transporta las moléculas funcionales hasta la superficie de las partículas. En sonoquímica, este efecto se utiliza para mejorar el rendimiento de los catalizadores dispersos.
Sonicación antes de medir el tamaño de las partículas
La sonicación de las muestras mejora la precisión de la medición del tamaño o la morfología de sus partículas. El nuevo SonoStep combina ultrasonidos, agitación y bombeo de muestras en un diseño compacto. Es fácil de manejar y puede utilizarse para suministrar muestras sonicadas a equipos analíticos, como los analizadores de tamaño de partículas. La sonicación intensa ayuda a dispersar las partículas aglomeradas, lo que permite obtener resultados más consistentes.¡Haga clic aquí para obtener más información!
Procesamiento ultrasónico a escala de laboratorio y de producción
Los procesadores ultrasónicos y las celdas de flujo para desaglomeración y dispersión están disponibles a escala de laboratorio y de producción . Los sistemas industriales pueden adaptarse 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 eficiente de nanomateriales, por ejemplo, en pinturas, tintas y recubrimientos.
- Dispositivos compactos de laboratorio de hasta 400 vatios de potencia.
Estos dispositivos se utilizan principalmente para la preparación de muestras o los estudios iniciales de viabilidad y están disponibles en régimen de alquiler. - 500 y 1.000 y 2.000 vatios son las potencias con las que los procesadores ultrasónicos como el conjunto UIP1000hd con celda de flujo y diversos amplificadores de amplitud y sonotrodos pueden procesar corrientes de mayor caudal.
Los dispositivos de este tipo se utilizan para optimizar los parámetros (como la amplitud, la presión de funcionamiento, el caudal, etc.) a escala de equipos de sobremesa o de planta piloto. - Los procesadores ultrasónicos de 2 kW, 4 kW, 10 kW y 16 kW y los conjuntos de mayor tamaño formados por varias de estas unidades pueden procesar corrientes de producción a prácticamente cualquier escala.
Los equipos de sobremesa están disponibles en régimen de alquiler en condiciones favorables para realizar ensayos de proceso. Los resultados de estos ensayos pueden escalarse linealmente al nivel de producción –reduciendo el riesgo y los costes asociados al desarrollo del proceso–. Estaremos encantados de asesorarle en línea, por teléfono o en persona. Puede consultar nuestras direcciones aquí, o utilizar el formulario que aparece a continuación.
La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | 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 | conjunto de UIP16000 |
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Nanomateriales – Información general
Los nanomateriales son materiales de tamaño inferior a 100 nm. Su incorporación a las formulaciones de pinturas, tintas y recubrimientos está avanzando rápidamente. Los nanomateriales se dividen en tres grandes categorías: óxidos metálicos, nanoarcillas y nanotubos de carbono. Las nanopartículas de óxidos metálicos incluyen óxido de zinc, óxido de titanio, óxido de hierro, óxido de cerio y óxido de zirconio a escala nanométrica, así como compuestos de metales mixtos como el óxido de indio y estaño y el zirconio y el titanio, así como compuestos de metales mixtos como el óxido de indio y estaño. Esta materia de pequeño tamaño influye en muchas disciplinas, como la física, la química y la biología. En pinturas y recubrimientos, los nanomateriales satisfacen necesidades decorativas (p. ej., color y brillo), cumplen funciones específicas (p. ej., conductividad e inactivación microbiana) y mejoran la protección (p. ej., resistencia al rayado y estabilidad frente a los rayos UV) de las pinturas y los recubrimientos. En particular, los óxidos metálicos de tamaño nanométrico, como TiO2 y ZnO, o la alúmina, la ceria y la sílice y los pigmentos de tamaño nanométrico se utilizan en nuevas formulaciones de pinturas y recubrimientos.
Cuando se reduce el tamaño de la materia, cambian sus características, como el color y la interacción con otra materia, por ejemplo, la reactividad química. El cambio de estas características se debe al cambio de las propiedades electrónicas. Mediante la reducción del tamaño de las partículas, aumenta la superficie del material. Esto permite que un mayor porcentaje de los átomos interactúe 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 impiden que parte de la superficie entre en contacto con otra materia. Solo las partículas bien dispersas o dispersas individualmente permiten aprovechar todo el potencial beneficioso de la materia. Por tanto, una buena dispersión reduce la cantidad de nanomateriales necesaria para lograr los mismos efectos. Dado que la mayoría de los nanomateriales siguen siendo bastante caros, este aspecto es de gran importancia para la comercialización de formulaciones de productos que contienen nanomateriales. Actualmente, muchos nanomateriales se producen mediante un proceso en seco. Por ello, las partículas deben mezclarse con formulaciones líquidas. Es en esta etapa donde la mayoría de las nanopartículas forman aglomerados durante la humectación. En particular, los nanotubos de carbono presentan una gran cohesión, lo que dificulta su dispersión en líquidos como agua, etanol, aceite, polímeros o resina epoxi. Los equipos de procesamiento convencionales, como los mezcladores de alto cizallamiento o de rotor-estator, los homogeneizadores de alta presión o los molinos coloidales y de discos, no logran separar adecuadamente las nanopartículas en partículas individuales. En particular, para la materia de pequeño tamaño, desde varios nanómetros hasta un par de micrómetros, la cavitación ultrasónica es muy eficaz para romper aglomerados, agregados e incluso partículas primarias. Cuando se utilizan ultrasonidos para la molienda de lotes de alta concentración, los chorros de líquido generados por 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 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.