پراکنش فراصوتی نانومواد (نانوذرات)
نانومواد به جزء جدایی‌ناپذیر محصولاتی متنوع، از مواد با کارایی بالا و ضدآفتاب‌ها گرفته تا پوشش‌های با کارایی بالا و کامپوزیت‌های پلاستیکی، تبدیل شده‌اند. از کاویتاسیون فراصوتی برای پراکنده‌سازی ذرات نانومقیاس در مایعاتی مانند آب، روغن، حلال‌ها یا رزین‌ها استفاده می‌شود.
پراکنش فراصوتی نانوذرات
کاربرد پراکنش فراصوتی نانوذرات تأثیرات گوناگونی دارد. آشکارترین آن‌ها عبارت است از پراکنده‌سازی مواد در مایعات به‌منظور شکستن کلوخه‌های ذرات. فرایند دیگر، استفاده از فراصوت هنگام سنتز یا رسوب‌دهی ذرات است. به‌طور کلی، این کار به تولید ذرات کوچک‌تر و یکنواختی بیشتر اندازهٔ آن‌ها منجر می‌شود. کاویتاسیون فراصوتی انتقال ماده در سطح ذرات را نیز بهبود می‌بخشد. از این اثر می‌توان برای بهبود عامل‌دارسازی سطح موادی با سطح ویژهٔ زیاد استفاده کرد.
پراکنده‌سازی و کاهش اندازهٔ نانومواد
نانومواد، مانند اکسیدهای فلزی، نانورس‌ها یا نانولوله‌های کربنی هنگام مخلوط‌شدن با مایع تمایل به کلوخه‌شدن دارند. روش‌های مؤثر کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی برای غلبه بر نیروهای پیوندی پس از ترشدن پودر ضروری‌اند. شکستن ساختار کلوخه‌ها با فراصوت در سوسپانسیون‌های آبی و غیرآبی، بهره‌گیری از تمام ظرفیت مواد نانومقیاس را امکان‌پذیر می‌کند. بررسی دیسپرسیون‌های مختلف کلوخه‌های نانوذره‌ای با محتوای جامد متغیر، مزیت چشمگیر فراصوت را در مقایسه با فناوری‌های دیگر، مانند مخلوط‌کن‌های روتور–استاتور (مانند ultra turrax)، هموژنایزرهای پیستونی یا روش‌های آسیاب‌کاری تر، مانند آسیاب‌های مهره‌ای یا کلوئیدی، نشان داده است. سامانه‌های فراصوتی Hielscher را می‌توان در غلظت‌های نسبتاً بالای مواد جامد به کار گرفت. برای مثال، در مورد سیلیکا مشخص شد که نرخ شکست مستقل از غلظت جامد تا 50% وزنی است. از فراصوت می‌توان برای پراکنده‌سازی مستربچ‌های با غلظت بالا استفاده کرد – با پردازش مایعات دارای گرانروی کم و زیاد. این ویژگی، فراصوت را به راهکار پردازشی مناسبی برای رنگ‌ها و پوشش‌های مبتنی بر محیط‌های مختلف، مانند آب، رزین یا روغن، تبدیل می‌کند.
هموژنایزر فراصوتی UP400St برای نانودیسپرسیون‌ها
کاویتاسیون فراصوتی
پراکنش و کلوخه‌زدایی با فراصوت‌دهی، نتیجهٔ کاویتاسیون فراصوتی هستند. هنگامی که مایعات در معرض فراصوت قرار می‌گیرند، امواج صوتی منتشرشونده در مایع، چرخه‌های متناوب پرفشار و کم‌فشار ایجاد می‌کنند. این امر بر نیروهای جاذبهٔ میان تک‌تک ذرات تنش مکانیکی وارد می‌کند. کاویتاسیون فراصوتی در مایعات، جت‌های پرسرعت مایع با سرعتی تا 1000km/hr (تقریباً 600mph) ایجاد می‌کند. این جت‌ها مایع را با فشار زیاد به میان ذرات می‌رانند و آن‌ها را از یکدیگر جدا می‌کنند. ذرات کوچک‌تر همراه با جت‌های مایع شتاب می‌گیرند و با سرعت زیاد به یکدیگر برخورد می‌کنند. به این ترتیب، فراصوت ابزاری مؤثر هم برای پراکنده‌سازی و هم برای آسیاب‌کاری ذرات میکرونی و زیرمیکرونی است.
سنتز / رسوب‌دهی ذرات به کمک فراصوت
نانوذرات را می‌توان با رویکرد پایین‌به‌بالا، از طریق سنتز یا رسوب‌دهی، تولید کرد. سونوشیمی یکی از نخستین روش‌هایی است که برای تهیهٔ ترکیبات نانومقیاس به کار گرفته شد. Suslick در پژوهش اولیهٔ خود، Fe(CO)5 را به‌صورت مایع خالص یا در محلول deaclin تحت فراصوت‌دهی قرار داد و نانوذرات آهن آمورف با اندازهٔ 10-20nm به دست آورد. به‌طور کلی، در یک مخلوط فوق‌اشباع، تشکیل ذرات جامد از ماده‌ای با غلظت بسیار بالا آغاز می‌شود. فراصوت‌دهی اختلاط پیش‌ماده‌ها را بهبود می‌بخشد و انتقال جرم در سطح ذرات را افزایش می‌دهد. این امر به اندازهٔ کوچک‌تر ذرات و یکنواختی بیشتر منجر می‌شود.
UIP2000hdT، یک سونیکاتور پرتوان 2kW برای پراکنده‌سازی SWCNTs.
عامل‌دارسازی سطح با استفاده از فراصوت
بسیاری از نانومواد، مانند اکسیدهای فلزی، جوهر چاپ جوهرافشان و رنگدانه‌های تونر، یا پرکننده‌های مورد استفاده در پوشش‌های با کارایی بالا، به عامل‌دارسازی سطح نیاز دارند. برای عامل‌دارکردن تمام سطح هر ذره، روش پراکنش مناسبی لازم است. پس از پراکنده‌شدن، ذرات معمولاً با لایه‌ای مرزی از مولکول‌های جذب‌شده به سطح ذره احاطه می‌شوند. برای رسیدن گروه‌های عاملی جدید به سطح ذره، این لایهٔ مرزی باید شکسته یا برداشته شود. جت‌های مایع ناشی از کاویتاسیون فراصوتی می‌توانند به سرعت‌هایی تا 1000km/hr برسند. این تنش به غلبه بر نیروهای جاذبه کمک می‌کند و مولکول‌های عامل‌دارکننده را به سطح ذره می‌رساند. در سونوشیمی، از این اثر برای بهبود عملکرد کاتالیزورهای پراکنده‌شده استفاده می‌شود.
فراصوت‌دهی پیش از اندازه‌گیری اندازهٔ ذرات
فراصوت‌دهی نمونه‌ها، دقت اندازه‌گیری اندازه یا ریخت‌شناسی ذرات را بهبود می‌بخشد. SonoStep جدید، فراصوت، هم‌زدن و پمپاژ نمونه‌ها را در طراحی فشرده‌ای ترکیب می‌کند. کار با آن آسان است و می‌توان از آن برای رساندن نمونه‌های فراصوت‌دهی‌شده به دستگاه‌های آنالیز، مانند تحلیلگرهای اندازهٔ ذرات، استفاده کرد. فراصوت‌دهی شدید به پراکنده‌سازی ذرات کلوخه‌شده کمک می‌کند و به نتایج سازگارتری می‌انجامد.برای مطالعهٔ بیشتر اینجا کلیک کنید!
پردازش فراصوتی در مقیاس آزمایشگاهی و تولید
پردازشگرهای فراصوتی و سلول‌های جریان برای کلوخه‌زدایی و پراکنش در مقیاس آزمایشگاهی و تولید در دسترس هستند. سامانه‌های صنعتی را می‌توان به‌آسانی برای کار درون‌خطی بازتجهیز کرد. برای پژوهش و توسعهٔ فرایند، دستگاه پیشنهادی ما UIP1000hd (1٬000 وات) است.
Hielscher طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها و لوازم جانبی فراصوتی را برای پراکنده‌سازی کارآمد نانومواد، برای مثال در رنگ‌ها، جوهرها و پوشش‌ها، عرضه می‌کند.
- دستگاه‌های آزمایشگاهی جمع‌وجور با حداکثر 400 وات توان.
این دستگاه‌ها عمدتاً برای آماده‌سازی نمونه یا مطالعات اولیهٔ امکان‌سنجی استفاده می‌شوند و برای اجاره نیز در دسترس هستند. - 500 و 1٬000 و 2٬000 وات: پردازشگرهای فراصوتی با این توان‌ها، مانند مجموعهٔ UIP1000hd با سلول جریان و انواع هورن‌های تقویت‌کننده و سونوتْرودها ، می‌توانند جریان‌هایی با حجم بیشتر را پردازش کنند.
از چنین دستگاه‌هایی برای بهینه‌سازی پارامترها (مانند دامنه، فشار عملیاتی، دبی و غیره) در مقیاس رومیزی یا واحد پایلوت استفاده می‌شود. - پردازشگرهای فراصوتی با توان 2kW, 4kW, 10kW و 16kW و مجموعه‌های بزرگ‌تر متشکل از چندین واحد از این نوع، می‌توانند جریان‌های حجمی تولید را تقریباً در هر سطحی پردازش کنند.
تجهیزات رومیزی برای انجام آزمون‌های فرایندی با شرایط مناسب قابل اجاره هستند. نتایج این آزمون‌ها را می‌توان به‌صورت خطی به مقیاس تولید تعمیم داد – که ریسک و هزینه‌های توسعهٔ فرایند را کاهش می‌دهد. خوشحال می‌شویم به‌صورت آنلاین، تلفنی یا حضوری به شما کمک کنیم. لطفاً نشانی‌های ما را اینجا ببینید، یا از فرم زیر استفاده کنید.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
نانومواد – اطلاعات پایه
نانومواد موادی با اندازهٔ کمتر از 100nm هستند. استفاده از آن‌ها در فرمولاسیون رنگ‌ها، جوهرها و پوشش‌ها به‌سرعت گسترش می‌یابد. نانومواد در سه دستهٔ کلی قرار می‌گیرند: اکسیدهای فلزی، نانورس‌ها و نانولوله‌های کربنی. نانوذرات اکسید فلزی شامل اکسید روی، اکسید تیتانیوم، اکسید آهن، اکسید سریم و اکسید زیرکونیوم در مقیاس نانو، و نیز ترکیبات چندفلزی مانند اکسید ایندیوم–قلع و زیرکونیوم و تیتانیوم، و نیز ترکیبات چندفلزی مانند اکسید ایندیوم–قلع هستند. این مواد ریز بر رشته‌های بسیاری، مانند فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی تأثیر می‌گذارند. نانومواد در رنگ‌ها و پوشش‌ها نیازهای تزئینی (مانند رنگ و براقیت) و اهداف عملکردی (مانند رسانایی و غیرفعال‌سازی میکروبی) را برآورده می‌کنند و حفاظت رنگ‌ها و پوشش‌ها (مانند مقاومت در برابر خراش و پایداری در برابر UV) را بهبود می‌بخشند. به‌ویژه اکسیدهای فلزی نانومقیاس، مانند TiO2 و ZnO یا آلومینا، سریا و سیلیکا و رنگدانه‌های نانومقیاس در فرمولاسیون‌های جدید رنگ و پوشش کاربرد دارند.
هنگامی که اندازهٔ ماده کاهش می‌یابد، ویژگی‌های آن، مانند رنگ و برهم‌کنش با مواد دیگر از جمله واکنش‌پذیری شیمیایی، تغییر می‌کند. تغییر این ویژگی‌ها ناشی از تغییر خواص الکترونی است. با کاهش اندازهٔ ذرات، مساحت سطح ماده افزایش می‌یابد. به همین دلیل، درصد بیشتری از اتم‌ها می‌توانند با مواد دیگر، برای مثال با ماتریس رزین‌ها، برهم‌کنش داشته باشند.
فعالیت سطحی یکی از جنبه‌های کلیدی نانومواد است. کلوخه‌شدن و تجمع، مانع تماس سطح با مواد دیگر می‌شوند. تنها ذراتی که به‌خوبی یا به‌صورت منفرد پراکنده شده‌اند، امکان بهره‌گیری از تمام ظرفیت مفید ماده را فراهم می‌کنند. در نتیجه، پراکنده‌سازی مناسب، مقدار نانومواد لازم برای دستیابی به اثرات یکسان را کاهش می‌دهد. از آنجا که بیشتر نانومواد هنوز نسبتاً گران هستند، این جنبه برای تجاری‌سازی فرمولاسیون محصولات حاوی نانومواد اهمیت زیادی دارد. امروزه بسیاری از نانومواد با فرایندی خشک تولید می‌شوند. در نتیجه، لازم است ذرات با فرمولاسیون‌های مایع مخلوط شوند. در همین مرحله است که بیشتر نانوذرات هنگام ترشدن، کلوخه تشکیل می‌دهند. به‌ویژه نانولوله‌های کربنی چسبندگی درونی بسیار زیادی دارند که پراکنده‌سازی آن‌ها را در مایعاتی مانند آب، اتانول، روغن، پلیمر یا رزین اپوکسی دشوار می‌کند. دستگاه‌های پردازش متداول، مانند مخلوط‌کن‌های با برش بالا یا روتور–استاتور، هموژنایزرهای فشاربالا یا آسیاب‌های کلوئیدی و دیسکی، در جداسازی نانوذرات به ذرات مجزا کارایی کافی ندارند. به‌ویژه برای مواد ریز با اندازه‌هایی از چند نانومتر تا چند میکرون، کاویتاسیون فراصوتی در شکستن کلوخه‌ها، تجمعات و حتی ذرات اولیه بسیار مؤثر است. هنگامی که فراصوت برای آسیاب‌کاری بچ‌های با غلظت بالا به کار می‌رود، جریان جت‌های مایع ناشی از کاویتاسیون فراصوتی باعث می‌شود ذرات با سرعت‌هایی تا 1000km/h به یکدیگر برخورد کنند. این امر نیروهای واندروالس را در کلوخه‌ها و حتی ذرات اولیه می‌شکند.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با کارایی بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنش، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.