Dispersión fiable de nanopartículas para aplicaciones industriales

La ultrasonicación de alta potencia puede romper de forma eficaz y fiable los aglomerados de partículas e incluso desintegrar las partículas primarias. Debido a su alto rendimiento de dispersión, los ultrasonicadores tipo sonda se utilizan como método preferido para crear suspensiones homogéneas de nanopartículas.

Dispersión fiable de nanopartículas por ultrasonidos

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

Dispersión ultrasónica de nanotubos de carbono

Ultrasonic dispersers are widely used for the purpose of dispersing carbon nanotubes (CNTs). Sonication is a reliable method to detangle and disperse single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as well as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). For instance, in order to produce a highly conductive thermoplastic polymer, high-purity (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; external diameter 9.5 nm; purity 95 +%) have been ultrasonically dispersed with the Hielscher UP200S for 30min. at room temperature. The ultrasonically dispersed Nanocyl® 3100 MWCNTs at a concentration of 1% w/w in the epoxy resin showed superior conductivity of approx. 1.5 × 10-2 S /m.

Dispersión ultrasónica de nanopartículas de níquel

Las nanopartículas de níquel pueden producirse con éxito mediante síntesis de reducción de hidracina asistida por ultrasonidos. La ruta de síntesis por reducción de hidracina permite preparar nanopartículas de níquel metálico puro con forma esférica mediante la reducción química de cloruro de níquel con hidracina. El grupo de investigación de Adám demostró que la ultrasonicación – utilizando el Hielscher UP200HT (200 W, 26 kHz) – fue capaz de mantener un tamaño medio de cristalitos primarios (7-8 nm) independientemente de la temperatura aplicada, mientras que el uso de periodos de sonicación intensos y más cortos pudo reducir los diámetros solvodinámicos de las partículas secundarias agregadas de 710 nm a 190 nm en ausencia de cualquier surfactante. La mayor acidez y actividad catalítica se midieron para las nanopartículas preparadas mediante tratamiento ultrasónico suave (30 W de potencia de salida) y continuo. El comportamiento catalítico de las nanopartículas se comprobó en una reacción de acoplamiento cruzado Suzuki-Miyaura con cinco muestras preparadas de forma convencional y con ultrasonidos. En general, los catalizadores preparados por ultrasonidos se comportaron mejor, y la mayor actividad catalítica se midió sobre las nanopartículas preparadas bajo sonicación continua de baja potencia (30 W).
El tratamiento con ultrasonidos tuvo efectos cruciales sobre la tendencia a la agregación de las nanopartículas: la influencia desfragmentadora de los huecos de cavitación destruidos con la vigorosa transferencia de masa pudo superar las fuerzas electrostáticas atractivas de los huecos de cavitación destruidos con la vigorosa transferencia de masa pudo superar las fuerzas electrostáticas atractivas y de van der Waals entre las partículas.
(cf. 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 para la producción de cemento, vidrio, ladrillos y baldosas en la industria de la construcción, como fundente en la fundición de acero, así como aditivo en la fabricación de revestimientos y pinturas. Por ejemplo, la wollastonita proporciona 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 la 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 en 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 nano-dispersión ultrasónica se muestran en el SEM de alta resolución que aparece a continuación. La imagen SEM muestra claramente que la muestra de wollastonita antes del tratamiento ultrasónico está aglomerada y agregada; después de la sonicación con el ultrasonicador UP200H, el tamaño medio de las partículas de wollastonita es de aproximadamente 10 nm. El estudio demuestra que la dispersión ultrasónica es una técnica fiable y eficaz para sintetizar nanopartículas de wollastonita. El tamaño medio de las nanopartículas puede controlarse ajustando los parámetros de procesamiento ultrasónico.
(cf. Dordane y 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 y fotografía: ©Dordane y Doroodmand, 2021.

Dispersión ultrasónica de nanorrellenos

La sonicación es un método versátil para dispersar y desaglomerar nanorrellenos en líquidos y lodos, por ejemplo, polímeros, resinas epoxídicas, endurecedores, termoplásticos, etc. Por lo tanto, la sonificación se utiliza ampliamente como método de dispersión muy eficaz en R&D y la producción industrial.
Zanghellini et al. (2021) investigaron la técnica de dispersión ultrasónica de nanorrellenos en resina epoxi. Pudo demostrar que la sonicación era capaz de dispersar concentraciones pequeñas y altas de nanorrellenos en una matriz polimérica.
Comparando varias formulaciones, la CNT oxidada al 0,5% en peso mostró los mejores resultados de todas las muestras sonicadas, revelando distribuciones de tamaño de la mayoría de los aglomerados en un rango comparable al de las muestras producidas en molino de tres cilindros, una buena unión al endurecedor, la formación de una red de percolación en el interior de la dispersión, lo que apunta a una estabilidad frente a la sedimentación y, por tanto, a una estabilidad adecuada a largo plazo. Mayores cantidades de relleno mostraron buenos resultados similares, pero también la formación de redes internas más pronunciadas, así como aglomerados algo mayores. Incluso las nanofibras de carbono (CNF) pudieron dispersarse con éxito mediante sonicación. Se logró con éxito la dispersión US directa de nanorrellenos en los sistemas endurecedores sin disolventes adicionales, por lo que puede considerarse un método aplicable para una dispersión sencilla y directa con potencial para uso industrial. (cf. Zanghellini et al., 2021)
 

Comparación de diferentes nanorrellenos dispersos en el endurecedor (ultrasonidos-US): (a) 0,5 % en peso de nanofibras de carbono (CNF); (b) 0,5 % en peso de CNToxi; (c) 0,5 % en peso de nanotubos de carbono (CNT); (d) 0,5 % en peso de CNT semidispersos.
(Estudio e imagen: © Zanghellini et al., 2021)

dispersión ultrasónica de nanopartículas – Superioridad científicamente demostrada

La investigación demuestra en numerosos y sofisticados estudios que la dispersión ultrasónica es una de las técnicas superiores para desaglomerar y distribuir nanopartículas incluso a altas concentraciones en líquidos. Por ejemplo, Vikash (2020) investigó la dispersión de altas cargas de nano-sílice en líquidos viscosos utilizando el dispersor ultrasónico UP400S de Hielscher. En su estudio, llega a la conclusión de que “la dispersión estable y uniforme de las nanopartículas puede lograrse utilizando un dispositivo de ultrasonicación a alta carga sólida en líquidos viscosos.” [Vikash, 2020]

Procesadores ultrasónicos de alto rendimiento para la dispersión de nanopartículas

Hielscher Ultrasonics es su proveedor de confianza para equipos de ultrasonidos fiables y de alto rendimiento, desde sistemas de laboratorio y piloto hasta sistemas industriales completos. Hielscher Ultrasonidos’ ofrecen un hardware sofisticado, un software inteligente y una facilidad de uso excepcional. – diseñados y fabricados en Alemania. Las robustas máquinas de ultrasonidos de Hielscher para dispersión, desaglomeración, síntesis de nanopartículas y funcionalización pueden funcionar 24/7/365 a plena carga. Dependiendo de su proceso y sus instalaciones de producción, nuestros ultrasonicadores pueden funcionar en modo discontinuo o continuo en línea. Disponemos de varios accesorios, como sonotrodos (sondas ultrasónicas), bocinas de refuerzo, celdas de flujo y reactores.
Póngase en contacto con nosotros para obtener más información técnica, estudios científicos, protocolos y un presupuesto de nuestros sistemas de nano-dispersión por ultrasonidos. Nuestro personal, bien formado y con una larga experiencia, estará encantado de hablar con usted sobre su nanoaplicación.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: