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 ultrasonidos de 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 una 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 intensa cavitación acústica, 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, por consiguiente, su rotura. En consecuencia, se obtienen materiales nanoestructurados con una curva de tamaño de partícula 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

Los dispersores ultrasónicos se utilizan ampliamente para dispersar nanotubos de carbono (CNT). La sonicación es un método fiable para desenredar y dispersar nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT), así como nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT). Por ejemplo, para producir un polímero termoplástico altamente conductor, se ha dispersado por ultrasonidos el Nanocyl® 3100 (MWCNTs; diámetro externo 9,5 nm; pureza 95 +%) de alta pureza (> 95%) con el Hielscher UP200S durante 30min. a temperatura ambiente. Los MWCNTs Nanocyl® 3100 dispersados por ultrasonidos a una concentración del 1% p/p en la resina epoxi mostraron una conductividad superior de aproximadamente 1,5 × 10-2 S /m.

Dispersión ultrasónica de nanopartículas de níquel

Las nanopartículas de níquel pueden producirse con éxito mediante la síntesis de reducción de hidracina asistida por ultrasonidos. La ruta de síntesis de reducción de hidracina permite preparar nanopartículas de níquel metálico puro con forma esférica mediante la reducción química del cloruro de níquel con hidracina. El grupo de investigación de Adám demostró que la ultrasonicación – utilizando el Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – fue capaz de mantener un tamaño medio de los 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 un tratamiento suave (30 W de potencia de salida) y continuo de ultrasonidos. El comportamiento catalítico de las nanopartículas se probó en una reacción de acoplamiento cruzado Suzuki-Miyaura con cinco muestras preparadas de forma convencional y con ultrasonidos. Los catalizadores preparados por ultrasonidos se comportaron normalmente 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 en la tendencia a la agregación de las nanopartículas: la influencia de la desfragmentación 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 y de van der Waals atractivas entre las partículas.
(cf. Adám et al. 2020)

Síntesis por ultrasonidos de nanopartículas de wolastonita

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 y 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, es esencial la desaglomeración a escala nanométrica y la dispersión uniforme.
Dordane y Doroodmand (2021) demostraron en sus estudios que la dispersión por ultrasonidos 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 nano-dispersión 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 de ultrasonidos UP200H (Hielscher Ultrasonics) con una frecuencia de 24 kHz durante 45,0 minutos. 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 ultrasonador UP200H el tamaño medio de las partículas de wollastonita es de aproximadamente 10nm. 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 por ultrasonidos.
(cf. Dordane y Doroodmand, 2021)

Imágenes de MEB de las nanopartículas de wollastonita (A) antes y (B) después de la ultrasonificación utilizando el Procesador de ultrasonidos UP200H durante 45,0 minutos.
Estudio y foto: ©Dordane y Doroodmand, 2021.

Dispersión ultrasónica de nanorellenos

La sonificación es un método versátil para dispersar y desaglomerar nanorellenos en los líquidos y lodos, por ejemplo, polímeros, resinas epoxi, endurecedores, termoplásticos, etc. Por lo tanto, la sonificación se utiliza ampliamente como un método de dispersión muy eficaz en R&D y la producción industrial.
Zanghellini et al. (2021) investigaron la técnica de dispersión por ultrasonidos de nanorellenos en resina epoxi. Pudo demostrar que la sonicación era capaz de dispersar pequeñas y altas concentraciones de nanorellenos en una matriz polimérica.
Comparando varias formulaciones, el CNT oxidado al 0,5% 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 el molino de tres rodillos, una buena unión al endurecedor, la formación de una red de percolación en el interior de la dispersión, que apunta a la estabilidad contra la sedimentación y, por tanto, a una adecuada estabilidad a largo plazo. Las cantidades de relleno más elevadas mostraron resultados buenos 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 consiguió la dispersión directa por US de los nanorellenos en los sistemas de endurecimiento sin disolventes adicionales, por lo que puede considerarse un método aplicable para una dispersión sencilla y directa con potencial para el uso industrial. (cf. Zanghellini et al., 2021)

Comparación de diferentes nanorellenos dispersados en el endurecedor mediante ultrasonidos tipo sonda): (a) 0,5 wt% de nanofibras de carbono (CNF); (b) 0,5 wt% de CNToxid; (c) 0,5 wt% de nanotubos de carbono (CNT); (d) 0,5 wt% de CNT semidispersos.
Estudio y foto: ©Zanghellini et al., 2021

Dispersión ultrasónica de nanopartículas – Superioridad científicamente probada

Las investigaciones demuestran en numerosos y sofisticados estudios que la dispersión por ultrasonidos 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 se puede lograr utilizando un dispositivo de ultrasonidos a altas cargas de sólidos 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 Ultrasonics’ Los dispositivos cuentan con un hardware sofisticado, un software inteligente y una extraordinaria facilidad de uso – diseñados y fabricados en Alemania. Las robustas máquinas de ultrasonidos de Hielscher para la dispersión, la desaglomeración, la síntesis de nanopartículas y la funcionalización pueden funcionar las 24 horas del día y los 365 días del año a plena carga. Dependiendo de su proceso y de su planta de producción, nuestros ultrasonidos pueden funcionar en modo batch o continuo en línea. Hay disponibles 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: