Nanomaterjalide (nanoosakeste) ultraheli dispergeerimine
Nanomaterjalid on muutunud lahutamatuks osaks nii erinevatest toodetest nagu kõrgjõudlusmaterjalid, päikesekaitsekreemid, kõrgtoimekatted või plastkomposiidid. Ultraheli kavitatsiooni kasutatakse nanosuuruses osakeste dispergeerimiseks vedelikesse, näiteks vette, õlisse, lahustitesse või vaikudesse.
Nanoosakeste ultraheli dispergeerimine
Nanoosakeste ultraheli dispergeerimisel on mitmekülgne mõju. Kõige ilmsem on materjalide dispergeerimine vedelikes osakeste aglomeraatide lõhkumiseks. Teine protsess on ultraheli kasutamine osakeste sünteesi või sadestamise ajal. Üldiselt annab see väiksemaid osakesi ja suurema suuruse ühtluse. Ultraheli kavitatsioon parandab ka ainevahetust osakeste pindadel. Seda mõju saab kasutada suure eripindalaga materjalide pinna funktsionaliseerimise parandamiseks.
Nanomaterjalide dispergeerimine ja suuruse vähendamine
Nanomaterjalid, nt metalloksiidid, nanosavid või süsiniknanotorud kipuvad vedelikku segamisel aglomereeruma. Pulbri niisutamisejärgsete sidumisjõudude ületamiseks on vaja tõhusaid deaglomeerimis- ja dispergeerimisviise. Aglomeraatstruktuuride ultraheliga lõhkumine vesi- ja mittevesisuspensioonides võimaldab kasutada nanosuuruses materjalide kogu potentsiaali. Nanoosakeste aglomeraatide erinevate dispersioonide uuringud muutuva tahkisesisaldusega on näidanud ultraheli märkimisväärset eelist võrreldes teiste tehnoloogiatega, näiteks rootor-stator segistite (nt ultra turrax), kolbhomogenisaatorite või märgjahvatusmeetoditega, nt helmeveskite või kolloidveskitega. Hielscheri ultraheli süsteeme saab käitada üsna kõrgetel tahkisekontsentratsioonidel. Näiteks ränidioksiidi puhul leiti, et purunemiskiirus on sõltumatu tahkisekontsentratsioonist kuni 50% massi järgi. Ultraheli saab rakendada suure kontsentratsiooniga lähtesegude (master-batch) dispergeerimiseks – madala ja kõrge viskoossusega vedelike töötlemisel. See teeb ultraheli heaks töötlemislahenduseks värvidele ja katetele, mis põhinevad erinevatel keskkondadel, näiteks vesi, vaik või õli.
Ultraheli homogenisaator UP400St nanodispersioonide jaoks
Ultraheli kavitatsioon
Dispergeerimine ja deaglomeratsioon ultraheli töötlusega on ultraheli kavitatsiooni tulemus. Kui vedelikke ultraheliga töödelda, tekitavad vedelikku levivad helilained vahelduvaid kõrg- ja madalrõhutsükleid. See avaldab mehaanilist pinget üksikute osakeste vahelistele tõmbejõududele. Ultraheli kavitatsioon vedelikes tekitab suure kiirusega vedelikujugasid kiirusega kuni 1000km/hr (u 600mph). Sellised joad suruvad vedeliku kõrge rõhu all osakeste vahele ja eraldavad need üksteisest. Väiksemad osakesed kiirendatakse vedelikujugadega ja põrkuvad suurel kiirusel. See teeb ultraheli tõhusaks vahendiks mitte ainult dispergeerimiseks, vaid ka mikromeetri- ja submikromeetri suuruste osakeste jahvatamise vahendiks.
Ultraheliga toetatud osakeste süntees / sadestamine
Nanoosakesi saab tekitada alt-üles meetodil sünteesi või sadestamise teel. Sonokeemia on üks varasemaid tehnikaid nanosuuruses ühendite valmistamiseks. Suslick sonikeeris oma algses töös Fe(CO)5 kas puhta vedelikuna või deaclin-lahuses ning sai 10–20nm suuruseid amorfseid rauananoosakesi. Üldiselt hakkab üleküllastunud segu moodustama tahkeid osakesi kõrge kontsentratsiooniga materjalist. Ultraheli töötlus parandab lähteainete segunemist ja suurendab massiülekannet osakese pinnal. See toob kaasa väiksema osakeste suuruse ja suurema ühtluse.
UIP2000hdT, 2kW võimsusega ultraheliseade SWCNT-de dispergeerimiseks.
Pinna funktsionaliseerimine ultraheli abil
Paljud nanomaterjalid, nagu metalloksiidid, tindiprinteri tint ja tooneripigmendid või täiteained kõrgtoimelistele kattekihtidele, nõuavad pinna funktsionaliseerimist. Iga üksiku osakese kogu pinna funktsionaliseerimiseks on vaja head dispergeerimismeetodit. Dispergeeritud olekus on osakesed tavaliselt ümbritsetud osakese pinnale tõmbuvate molekulide piirkihiga. Selleks et uued funktsionaalrühmad osakese pinnale jõuaksid, tuleb see piirkiht lõhkuda või eemaldada. Ultraheli kavitatsioonist tekkivad vedelikujoad võivad saavutada kiiruse kuni 1000km/hr. See mehaaniline pinge aitab ületada tõmbejõude ja kannab funktsionaalsed molekulid osakese pinnale. Sonokeemia valdkonnas kasutatakse seda efekti dispergeeritud katalüsaatorite jõudluse parandamiseks.
Ultraheli töötlus enne osakeste suuruse mõõtmist
Proovide ultraheli töötlus parandab osakeste suuruse või morfoloogia mõõtmise täpsust. Uus SonoStep ühendab kompaktses konstruktsioonis ultraheli, segamise ja proovide pumpamise. Seda on lihtne kasutada ja sellega saab sonikeeritud proove suunata analüüsiseadmetesse, näiteks osakeste suuruse analüsaatoritesse. Intensiivne sonikeerimine aitab aglomeerunud osakesi dispergeerida, mis annab ühtlasemaid tulemusi.Lugege lähemalt siit!
Ultraheli töötlus labori- ja tootmismastaabis
Ultraheli protsessorid ja läbivoolukambrid deagglomeratsiooniks ja dispergeerimiseks on saadaval laboratoorsele ja tootmistasemele ning tööstuslikke süsteeme saab hõlpsasti ümber ehitada töötama inline-režiimis. Uuringuteks ja protsessi arendamiseks soovitame kasutada seadet UIP1000hd (1 000 vatti).
Hielscher pakub laia valikut ultraheliseadmeid ja lisatarvikuid nanomaterjalide efektiivseks dispergeerimiseks, nt värvides, tindides ja pinnakatetes.
- Kompaktsed laborisead võimsusega kuni 400 vatti.
Neid seadmeid kasutatakse peamiselt proovide ettevalmistamiseks või esmasteks teostatavusuuringuteks ning neid on võimalik rentida. - 500 ja 1 000 ja 2 000 vatised ultraheli protsessorid, näiteks UIP1000hd komplekt läbivoolukambri ning erinevate võimendussarvede ja sonotroodidega, suudavad töödelda suuremaid mahuvooge.
Selliseid seadmeid kasutatakse parameetrite (nt amplituud, töörõhk, vooluhulk jne) optimeerimisel laua- või pilootjaama mastaabis. - Ultraheli protsessorid võimsusega 2kW, 4kW, 10kW ja 16kW ning mitmest sellisest seadmest koosnevad suuremad klastrid suudavad töödelda tootmismahtudele vastavaid vooge peaaegu igal tasemel.
Lauaseadmeid on võimalik rentida soodsatel tingimustel protsessikatsete läbiviimiseks. Selliste katsete tulemusi saab lineaarselt skaleerida tootmistasemele – see vähendab protsessi arendamisega seotud riski ja kulusid. Aitame teid hea meelega veebis, telefoni teel või isiklikult. Palun leidke meie aadressid siit, või kasutage allolevat vormi.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster seadmetest UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Nanomaterjalid – taustinfo
Nanomaterjalid on materjalid, mille suurus on alla 100nm. Need on kiiresti jõudmas värvide, tindide ja pinnakatete koostistesse. Nanomaterjalid jagunevad kolme laia kategooriasse: metallioksiidid, nanosavid ja süsiniknanotorud. Metalloksiidide nanoosakesed hõlmavad nanomõõtmelist tsinkoksiidi, titaanoksiidi, rauaoksiidi, tseeriumoksiidi ja tsirkooniumoksiidi, samuti segametalliühendeid, näiteks indium-tinaoksiidi ning tsirkooniumi ja titaani, samuti segametalliühendeid, näiteks indium-tinaoksiidi. See väike mateeria mõjutab paljusid valdkondi, näiteks füüsikat, keemiat ja bioloogiat. Värvides ja pinnakatetes täidavad nanomaterjalid dekoratiivseid vajadusi (nt värv ja läige), funktsionaalseid eesmärke (nt juhtivus, mikroobide inaktiveerimine) ning parandavad värvide ja pinnakatete kaitset (nt kriimustuskindlus, UV-stabiilsus). Eelkõige nanomõõtmelised metallioksiidid, nagu TiO2 ja ZnO või alumiiniumoksiid, tseeriumoksiid ja ränidioksiid ja nanosuuruses pigmendid leiavad rakendust uutes värvi- ja pinnakattevormelites.
Kui aine osakeste suurust vähendatakse, muutuvad selle omadused, näiteks värvus ja koostoime teiste ainetega, nt keemiline reaktsioonivõime. Omaduste muutus on põhjustatud elektrooniliste omaduste muutusest. Tänu osakeste suuruse vähendamisele suureneb materjali eripind. Seetõttu saab suurem osa aatomitest astuda koostoimesse teiste ainetega, nt vaikude maatriksiga.
Pinnaaktiivsus on nanomaterjalide võtmeaspekt. Aglomeratsioon ja agregatsioon blokeerivad pinna kokkupuute teiste ainetega. Ainult hästi dispergeeritud või üksikult dispergeeritud osakesed võimaldavad ainet kasutada kogu selle kasuliku potentsiaaliga. Seetõttu vähendab hea dispergeerimine samade efektide saavutamiseks vajaliku nanomaterjalide koguse. Kuna enamik nanomaterjale on endiselt üsna kallid, on see aspekt nanomaterjale sisaldavate tootevormelite kommertsialiseerimisel väga oluline. Tänapäeval toodetakse paljusid nanomaterjale kuivprotsessis. Seetõttu tuleb osakesed segada vedelatesse vormelitesse. Just siin moodustab enamik nanoosakesi märgamise ajal aglomeraate. Eriti süsiniknanotorud on väga kohesiivsed, mistõttu on neid raske vedelikes, näiteks vees, etanoolis, õlis, polümeeris või epoksüvaigus, dispergeerida. Tavapärased töötlusseadmed, nt suure nihkejõuga või rootor-stator segistid, kõrgsurvehomogenisaatorid või kolloid- ja kettveskid, ei suuda nanoosakesi eraldi osakesteks lahutada. Eriti mõne nanomeetri kuni paari mikromeetri suuruste väikeste osakeste puhul on ultraheli kavitatsioon aglomeraatide, agregaatide ja isegi primaarsete osakeste lõhkumisel väga tõhus. Kui ultraheli kasutatakse suure kontsentratsiooniga partiide jahvatamise ajal, panevad ultraheli kavitatsioonist tekkivad vedelikujoad osakesed omavahel kokku põrkuma kiirusega kuni 1000km/h. See rebib van der Waalsi jõud aglomeraatides ja isegi primaarsetes osakestes.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, pilootmastaabis ja tööstuslikus mastaabis.