Usaldusväärne nanoosakeste dispergeerimine tööstuslikeks rakendusteks

Suure võimsusega ultraheli töötlus suudab tõhusalt ja usaldusväärselt lõhkuda osakeste aglomeraate ja isegi desintegreerida primaarseid osakesi. Tänu oma suurele dispergeerimisvõimele kasutatakse sondtüüpi ultraheli seadmeid eelistatud meetodina homogeensete nanoosakeste suspensioonide valmistamiseks.

Usaldusväärne nanoosakeste dispergeerimine ultraheli töötlusega

Paljud tööstusharud vajavad suspensioonide valmistamist, mis on laetud nanoosakestega. Nanoosakesed on tahked ained, mille osakeste suurus on alla 100nm. Tänu väga väikesele osakeste suurusele on nanoosakestel ainulaadsed omadused, näiteks erakordne tugevus, kõvadus, optilised omadused, plastsus, UV-kindlus, juhtivus, elektrilised ja elektromagnetilised (EM) omadused, korrosioonikindlus, kriimustuskindlus ja muud erakordsed omadused.
Suure intensiivsusega madalsageduslik ultraheli tekitab intensiivse akustilise kavitatsiooni, mida iseloomustavad äärmuslikud tingimused, nagu nihkejõud, väga suured rõhu- ja temperatuurierinevused ning turbulentsid. Need kavitatsioonijõud kiirendavad osakesi, põhjustades osakestevahelisi kokkupõrkeid ja seeläbi osakeste purunemist. Selle tulemusena saadakse nanostruktuursed materjalid kitsa osakeste suuruse jaotuskõvera ja ühtlase jaotusega.
Ultraheli dispergeerimisseadmed sobivad igat liiki nanomaterjalide töötlemiseks vees ja orgaanilistes lahustites, nii madala kui ka väga kõrge viskoossusega.

Süsiniknanotorude dispergeerimine ultraheliga

Ultraheli dispergeerijaid kasutatakse laialdaselt süsiniknanotorude (CNT) dispergeerimiseks. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on usaldusväärne meetod ühe seinaga süsiniknanotorude (SWCNT) ja mitme seinaga süsiniknanotorude (MWCNT) lahtiharutamiseks ja dispergeerimiseks. Näiteks kõrge juhtivusega termoplastse polümeeri valmistamiseks dispergeeriti kõrge puhtusega (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNT; välisläbimõõt 9,5 nm; puhtus 95 +%) ultraheliga Hielscher UP200S seadmega 30min. toatemperatuuril. Ultraheliga dispergeeritud Nanocyl® 3100 MWCNT-del oli epoksüvaigus kontsentratsioonil 1% w/w suurepärane juhtivus ligikaudu 1,5 × 10-2 S /m.

Nikkelnanoosakeste dispergeerimine ultraheliga

Nikkelnanoosakesi saab edukalt toota ultraheli abil toimuva hüdrasiinredutseerimissünteesi teel. Hüdrasiinredutseerimissünteesi meetod võimaldab valmistada puhtaid metallilisi sfäärilise kujuga nikkelnanoosakesi nikkelkloriidi keemilise redutseerimise teel hüdrasiiniga. Adámi uurimisrühm näitas, et ultraheli töötlus – kasutades Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – suutis säilitada keskmist primaarset kristalliidi suurust (7–8 nm) sõltumatult rakendatud temperatuurist, samas kui intensiivsemate ja lühemate sonikeerimisperioodide kasutamine võis vähendada sekundaarsete, agregeerunud osakeste solvodünaamilist läbimõõtu 710 nm-lt 190 nm-ni ilma pindaktiivse aine kasutamiseta. Kõrgeim happelisus ja katalüütiline aktiivsus mõõdeti nanoosakeste puhul, mis valmistati leebe (väljundvõimsus 30 W) ja pideva ultraheli töötlusega. Nanoosakeste katalüütilist käitumist testiti Suzuki-Miyaura ristkondensatsioonireaktsioonis viie proovi puhul, mis valmistati nii tavapärasel kui ka ultraheli abil. Ultraheli abil valmistatud katalüsaatorid toimisid tavaliselt paremini ning kõrgeim katalüütiline aktiivsus mõõdeti nanoosakeste puhul, mis valmistati väikese võimsusega (30 W) pideva sonikeerimisega.
Ultraheli töötlusel oli otsustav mõju nanoosakeste agregeerumistendentsile: purunenud kavitatsiooniõõnsuste defragmenteeriv mõju koos intensiivse massiülekandega võis ületada purunenud kavitatsiooniõõnsuste atraktiivse elektrostaatilise koos intensiivse massiülekandega võis ületada osakeste vahelised atraktiivsed elektrostaatilised ja van der Waalsi jõud.
(vrd Adám et al. 2020)

Volastoniidi nanoosakeste ultraheli süntees

Volastoniit on kaltsiumi inosilikaatmineraal keemilise valemiga CaSiO3 Volastoniiti kasutatakse laialdaselt komponendina tsemendi, klaasi, telliste ja plaatide tootmisel ehitustööstuses, räbustina terase valamisel ning lisandina katete ja värvide valmistamisel. Näiteks tagab volastoniit armeerimise, kõvenemise, väikese õliimavuse ja muid parendusi. Volastoniidi suurepäraste armeerivate omaduste saavutamiseks on olulised nanomõõtmeline deaglomeratsioon ja ühtlane dispergeerimine.
Dordane ja Doroodmand (2021) näitasid oma uuringutes, et ultraheli dispergeerimine on väga oluline tegur, mis mõjutab oluliselt volastoniidi nanoosakeste suurust ja morfoloogiat. Et hinnata sonikeerimise osa volastoniidi nanodispersioonis, sünteesis uurimisrühm volastoniidi nanoosakesi nii suure võimsusega ultraheli kasutades kui ka ilma selleta. Sonikeerimiskatsetes kasutasid teadlased ultraheli protsessorit UP200H (Hielscher Ultrasonics) sagedusel 24 kHz 45,0 min jooksul. Ultraheli nanodispergeerimise tulemused on näidatud allpool esitatud kõrglahutusega SEM-kujutisel. SEM-kujutis näitab selgelt, et volastoniidi proov on enne ultraheli töötlust aglomeerunud ja agregeerunud; pärast sonikeerimist ultraheli seadmega UP200H on volastoniidi osakeste keskmine suurus ligikaudu 10nm. Uuring näitab, et ultraheli dispergeerimine on usaldusväärne ja tõhus meetod volastoniidi nanoosakeste sünteesimiseks. Nanoosakeste keskmist suurust saab kontrollida ultraheli töötlusparameetreid kohandades.
(vrd Dordane ja Doroodmand, 2021)

Volastoniidi nanoosakeste SEM-kujutised (A) enne ja (B) pärast ultraheli töötlust, kasutades ultraheli protsessorit UP200H 45,0 min jooksul.
Uuring ja pilt: ©Dordane ja Doroodmand, 2021.

Nanotäiteainete ultraheli dispergeerimine

Sonikeerimine on mitmekülgne meetod nanotäiteainete dispergeerimiseks ja deaglomereerimiseks vedelikes ja suspensioonides, nt polümeerides, epoksüvaikudes, kõvendites, termoplastides jne. Seetõttu kasutatakse sonikeerimist laialdaselt väga tõhusa dispergeerimismeetodina teadus- ja arendustegevuses ning tööstuslikus tootmises.
Zanghellini et al. (2021) uurisid nanotäiteainete ultraheli dispergeerimise tehnikat epoksüvaigus. Neil õnnestus näidata, et sonikeerimisega on võimalik dispergeerida nii väikeseid kui ka suuri nanotäiteainete kontsentratsioone polümeermaatriksisse.
Võrreldes erinevaid koostisi andis 0,5 wt% oksüdeeritud CNT kõigist sonikeeritud proovidest parimad tulemused: enamiku aglomeraatide suurusjaotus oli võrreldav kolmevaltsiveskiga valmistatud proovide omaga, side kõvendiga oli hea ja dispersioonis moodustus perkolatsioonivõrgustik, mis viitab setteikindlusele ning seega nõuetekohasele pikaajalisele stabiilsusele. Suuremad täiteainekogused andsid sarnaselt häid tulemusi, kuid moodustusid ka selgemalt väljendunud sisemised võrgustikud ning mõnevõrra suuremad aglomeraadid. Isegi süsiniknanokiude (CNF) õnnestus sonikeerimisega edukalt dispergeerida. Nanotäiteainete otsene ultraheli (US) dispergeerimine kõvendisüsteemidesse ilma täiendavate lahustiteta õnnestus ning seda võib pidada rakendatavaks meetodiks lihtsa ja otsekohese dispergeerimise jaoks, millel on potentsiaal tööstuslikuks kasutuseks. (vrd Zanghellini et al., 2021)

Erinevate kõvendisse dispergeeritud nanotäiteainete võrdlus (ultraheli töötlus–US): (a) 0,5 wt% süsiniknanokiud (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% süsiniknanotoru (CNT); (d) 0,5 wt% CNT pooldispergeeritud.
(Uuring ja pilt: © Zanghellini et al., 2021)

Nanoosakeste ultraheli dispergeerimine – teaduslikult tõestatud ülimuslikkus

Uuringud näitavad arvukates põhjalikes töödes, et ultraheli dispergeerimine on üks parimaid tehnikaid nanoosakeste deaglomereerimiseks ja jaotamiseks vedelikes isegi suurel kontsentratsioonil. Näiteks Vikash (2020) uuris suure nanokrae koguse dispergeerimist viskoossetes vedelikes Hielscheri ultraheli dispergaatoriga UP400S. Oma uuringus jõuab ta järeldusele, et „nanoosakeste stabiilne ja ühtlane dispersioon on saavutatav ultraheli töötluse seadmega ka suure tahkisesisalduse korral viskoossetes vedelikes.“ [Vikash, 2020]

Suure jõudlusega ultraheliprotsessorid nanoosakeste dispergeerimiseks

Hielscher Ultrasonics on teie usaldusväärne tarnija töökindlatele suure jõudlusega ultraheliseadmetele laborist ja pilootmastaabist täismahus tööstussüsteemideni. Hielscher Ultrasonicsi seadmeid iseloomustavad läbimõeldud riistvara, nutikas tarkvara ja silmapaistev kasutusmugavus – need on projekteeritud ja toodetud Saksamaal. Hielscheri töökindlaid ultraheliseadmeid dispergeerimiseks, deaglomereerimiseks, nanoosakeste sünteesiks ja funktsionaliseerimiseks saab kasutada 24/7/365 täiskoormusel. Sõltuvalt teie protsessist ja tootmisrajatisest saab meie sonikaatoreid käitada partiirežiimis või pidevas in-line-režiimis. Saadaval on mitmesugused lisatarvikud, nagu sonotroodid (ultraheli sondid), võimendussarvikud (booster horns), läbivoolukambrid ja reaktorid.
Võtke meiega nüüd ühendust, et saada rohkem tehnilist teavet, teadusuuringuid, protokolle ja pakkumine meie ultraheli nanodispergeerimissüsteemide kohta! Meie hästi koolitatud ja pika kogemusega töötajad arutavad teiega hea meelega teie nanorakendust!

Allolev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest: