Dispersión fiable de nanopartículas para aplicaciones industriales

La ultrasonicación de alta potencia permite romper los aglomerados de partículas de forma eficiente y fiable e incluso desintegrar las partículas primarias. Gracias a su elevado rendimiento de dispersión, los ultrasonicadores de sonda se utilizan como método preferente para crear suspensiones homogéneas de nanopartículas.

Dispersión fiable de nanopartículas mediante ultrasonicación

Muchas industrias requieren la preparación de suspensiones cargadas de nanopartículas. Las nanopartículas son sólidos con un tamaño de partícula inferior a 100 nm. Debido a su diminuto tamaño, las nanopartículas presentan propiedades únicas, como una resistencia excepcional, dureza, características ópticas, ductilidad, resistencia a los rayos UV, conductividad, propiedades eléctricas y electromagnéticas (EM), resistencia a la corrosión, resistencia al rayado y otras características extraordinarias.
Los ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia generan una intensa cavitación acústica, caracterizada por condiciones extremas, como fuerzas de cizallamiento, diferencias muy elevadas de presión y temperatura y turbulencias. Estas fuerzas de cavitación aceleran las partículas, provocando colisiones entre ellas y, por consiguiente, su fragmentación. Como resultado, se obtienen materiales nanoestructurados con una curva estrecha de tamaños de partícula y una distribución uniforme.
Los equipos de dispersión ultrasónica son adecuados para tratar cualquier tipo de nanomaterial en agua y disolventes orgánicos, con viscosidades desde bajas hasta muy elevadas.

Dispersión ultrasónica de nanotubos de carbono

Los dispersores ultrasónicos se utilizan ampliamente para dispersar nanotubos de carbono (CNTs). La sonicación es un método fiable para desenredar y dispersar tanto nanotubos de carbono de pared simple (SWCNTs) como nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNTs). Por ejemplo, para producir un polímero termoplástico de alta conductividad, se dispersó por ultrasonidos Nanocyl® 3100 de alta pureza (> 95%) (MWCNTs; diámetro externo 9,5 nm; pureza 95 +%) con el Hielscher UP200S durante 30 min. a temperatura ambiente. Los MWCNTs Nanocyl® 3100 dispersados por ultrasonidos a una concentración de 1% w/w en la resina epoxi mostraron una conductividad superior de aprox. 1,5 × 10-2 S /m.

Dispersión ultrasónica de nanopartículas de níquel

Las nanopartículas de níquel pueden producirse con éxito mediante síntesis por reducción con hidrazina asistida por ultrasonidos. Esta vía de síntesis permite preparar nanopartículas esféricas de níquel metálico puro mediante la reducción química del cloruro de níquel con hidrazina. El grupo de investigación de Adám demostró que la ultrasonicación –utilizando el Hielscher UP200HT (200 W, 26 kHz) – permitía mantener un tamaño medio de cristalito primario (7–8 nm) independiente de la temperatura aplicada, mientras que el uso de periodos de sonicación intensos y más breves podía reducir los diámetros solvodinámicos de las partículas secundarias agregadas de 710 nm a 190 nm sin ningún tensioactivo. La mayor acidez y actividad catalítica se midieron en las nanopartículas preparadas mediante un tratamiento ultrasónico suave (30 W de potencia de salida) y continuo. El comportamiento catalítico de las nanopartículas se evaluó en una reacción de acoplamiento cruzado de Suzuki-Miyaura con cinco muestras preparadas tanto por métodos convencionales como por métodos ultrasónicos. Los catalizadores preparados por ultrasonidos generalmente mostraron un mejor rendimiento, y la mayor actividad catalítica se midió en las nanopartículas preparadas mediante sonicación continua de baja potencia (30 W).
El tratamiento ultrasónico tuvo efectos decisivos sobre la tendencia de las nanopartículas a agregarse: el efecto de desfragmentación de las cavidades de cavitación destruidas, junto con la intensa transferencia de masa, podía superar la atracción electrostática de las cavidades de cavitación destruidas, junto con la intensa transferencia de masa, podía superar las fuerzas de atracción electrostática y de van der Waals entre las partículas.
(véase Adám et al. 2020)

Síntesis ultrasónica de nanopartículas de wollastonita

La wollastonita es un mineral de inosilicato de calcio con la fórmula química CaSiO3. La wollastonita se utiliza ampliamente como componente en la producción de cemento, vidrio, ladrillos y baldosas en la industria de la construcción, como fundente en la fundición de acero y como aditivo en la fabricación de recubrimientos y pinturas. Por ejemplo, la wollastonita aporta refuerzo, endurecimiento, baja absorción de aceite y otras mejoras. Para obtener excelentes propiedades de refuerzo de la wollastonita, son esenciales la desaglomeración a escala nanométrica y una dispersión uniforme.
Dordane y Doroodmand (2021) demostraron en sus estudios que la dispersión ultrasónica es un factor muy importante que influye significativamente en el tamaño y la morfología de las nanopartículas de wollastonita. Para evaluar la contribución de la sonicación a la nanodispersión de wollastonita, el equipo de investigación sintetizó nanopartículas de wollastonita con y sin la aplicación de ultrasonidos de alta potencia. Para sus ensayos de sonicación, los investigadores utilizaron el procesador ultrasónico UP200H (Hielscher Ultrasonics) con una frecuencia de 24 kHz durante 45,0 min. Los resultados de la nanodispersión ultrasónica se muestran en la imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de alta resolución que figura a continuación. La imagen SEM muestra claramente que la muestra de wollastonita está aglomerada y agregada antes del tratamiento ultrasónico; después de la sonicación con el ultrasonicador UP200H, el tamaño medio de las partículas de wollastonita es de aprox. 10 nm. El estudio demuestra que la dispersión ultrasónica es una técnica fiable y eficiente para sintetizar nanopartículas de wollastonita. El tamaño medio de las nanopartículas puede controlarse ajustando los parámetros del procesamiento ultrasónico.
(véase Dordane and Doroodmand, 2021)

Imágenes SEM de las nanopartículas de wollastonita (A) antes y (B) después de la ultrasonicación utilizando el procesador ultrasónico UP200H durante 45,0 min.
Estudio e imagen: ©Dordane and Doroodmand, 2021.

Dispersión ultrasónica de nanocargas

La sonicación es un método versátil para dispersar y desaglomerar nanocargas en líquidos y suspensiones concentradas, como polímeros, resinas epoxi, endurecedores, termoplásticos, etc. Por ello, la sonicación se utiliza ampliamente como método de dispersión de alta eficiencia en I+D y en la producción industrial.
Zanghellini et al. (2021) investigaron la técnica de dispersión ultrasónica para nanocargas en resina epoxi. Demostraron que la sonicación permitía dispersar nanocargas en una matriz polimérica tanto a bajas como a altas concentraciones.
Al comparar diversas formulaciones, los CNT oxidados al 0,5 wt% mostraron los mejores resultados de todas las muestras sonicadas: las distribuciones de tamaños de la mayoría de los aglomerados se situaban en un intervalo comparable al de las muestras procesadas con un molino de tres rodillos, se observó una buena unión al endurecedor y se formó una red de percolación dentro de la dispersión, lo que indica estabilidad frente a la sedimentación y, por tanto, una adecuada estabilidad a largo plazo. Las cantidades más elevadas de carga mostraron resultados igualmente buenos, aunque también se formaron redes internas más pronunciadas y aglomerados algo mayores. Incluso las nanofibras de carbono (CNF) pudieron dispersarse con éxito mediante sonicación. Se consiguió la dispersión directa por ultrasonidos (US) de nanocargas en los sistemas de endurecedores sin disolventes adicionales, por lo que puede considerarse un método aplicable para una dispersión sencilla y directa con potencial para uso industrial. (véase Zanghellini et al., 2021)
 

Comparación de distintas nanocargas dispersadas en endurecedor (ultrasonicación–US): (a) 0,5 wt% de nanofibra de carbono (CNF); (b) 0,5 wt% de CNToxi; (c) 0,5 wt% de nanotubo de carbono (CNT); (d) 0,5 wt% de CNT parcialmente dispersos.
(Estudio e imagen: © Zanghellini et al., 2021)

Dispersión ultrasónica de nanopartículas – Superioridad demostrada científicamente

Numerosos estudios de investigación avanzados demuestran que la dispersión ultrasónica es una de las técnicas superiores para desaglomerar y distribuir nanopartículas en líquidos, incluso a concentraciones elevadas. Por ejemplo, Vikash (2020) investigó la dispersión de altas cargas de nanosílice en líquidos viscosos utilizando el dispersor ultrasónico Hielscher UP400S. En su estudio, concluye que «puede lograrse una dispersión estable y uniforme de nanopartículas utilizando un dispositivo de ultrasonicación con una alta carga de sólidos en líquidos viscosos». [Vikash, 2020]

Procesadores ultrasónicos de alto rendimiento para la dispersión de nanopartículas

Hielscher Ultrasonics es su proveedor de confianza de equipos ultrasónicos fiables y de alto rendimiento, desde sistemas de laboratorio y planta piloto hasta sistemas plenamente industriales. Los dispositivos de Hielscher Ultrasonics cuentan con hardware avanzado, software inteligente y una facilidad de uso excepcional –diseñados y fabricados en Alemania–. Las robustas máquinas ultrasónicas de Hielscher para dispersión, desaglomeración, síntesis y funcionalización de nanopartículas pueden funcionar 24/7/365 a plena carga. En función de su proceso y de sus instalaciones de producción, nuestros ultrasonicadores pueden funcionar por lotes o en modo continuo en línea. Disponemos de diversos accesorios, como sonotrodos (sondas ultrasónicas), amplificadores de amplitud, celdas de flujo y reactores.
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La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores: