نانوالماس‌های پراکنده‌شده در سوسپانسیون آبی با فراصوت‌دهی
دیسپرسیون‌های نانوالماس را می‌توان با استفاده از سونیکاتورهای Hielscher به‌سرعت و با کارایی بالا تهیه کرد. در سوسپانسیون آبی، تجمع‌زدایی فراصوتی شکستن قابل‌اعتماد تجمعات و تشکیل کلوئیدهای پایدار را تضمین می‌کند. هنگامی که این روش با افزودن سادهٔ نمک برای تنظیم pH ترکیب شود، رویکردی آسان، کم‌هزینه و عاری از آلاینده فراهم می‌آورد. پراکنده‌سازی فراصوتی به‌دلیل مقیاس‌پذیری و اجرای ساده، هم برای پژوهش‌های آزمایشگاهی و هم برای فرآوری نانوالماس در مقیاس صنعتی بسیار مناسب است.
تجمع‌زدایی کارآمد و بدون آلودگی نانوالماس
نانوالماس‌ها به‌طور فزاینده‌ای در زیست‌پزشکی، فناوری‌های کوانتومی، تریبولوژی و کامپوزیت‌های پیشرفته به کار می‌روند، اما تمایل ذاتی آن‌ها به تشکیل تجمعات سخت، اغلب عملکردشان را محدود می‌کند. بنابراین، دستیابی به کلوئیدهای پایدار متشکل از ذرات مجزا، پیش‌نیاز مشخصه‌یابی دقیق و کاربرد قابل‌اعتماد است. روش‌های متداول تجمع‌زدایی اغلب بر فنون شدید آسیاب‌کاری متکی‌اند که زیرکونیا یا ناخالصی‌های دیگر را وارد محصول می‌کنند و در نتیجه، خالص‌سازی را پیچیده و کاربرد زیست‌پزشکی را محدود می‌سازند. پراکنده‌سازی فراصوتی جایگزینی سریع، مقیاس‌پذیر و عاری از آلاینده ارائه می‌دهد. سونیکاتورهای پروبی با ایجاد کاویتاسیون آکوستیکی در محیط‌های آبی، تجمعات را به‌طور مؤثر به نانوالماس‌هایی با اندازهٔ تک‌رقمی می‌شکنند. این روش در ترکیب با تعدیل سادهٔ pH به کمک نمک، کلوئیدهای پایداری در گسترهٔ وسیعی از pH ایجاد می‌کند، بدون آنکه محصولات جانبی سمی وارد کند؛ ازاین‌رو، هم برای پژوهش‌های آزمایشگاهی و هم برای تولید در مقیاس صنعتی بسیار جذاب است.
نانوالماس‌ها را می‌توان با استفاده از سونیکاتورهای Hielscher به‌طور کارآمد و قابل‌اعتماد پراکنده کرد.
راکتورهای فراصوتی جریان‌گذر برای تولید صنعتی درون‌خطی دوغاب‌های آبی نانوالماس.
آسیاب‌کاری و پراکنده‌سازی فراصوتی نانوالماس‌ها چگونه انجام می‌شود؟
در پراکنده‌سازی فراصوتی، خود نانوالماس‌ها به‌عنوان واسطهٔ آسیاب‌کاری به کار می‌روند. کاویتاسیون آکوستیکی ناشی از امواج فراصوت پرتوان، جریان‌های پرسرعت مایع ایجاد می‌کند. این جریان‌های مایع به ذرات موجود در دوغاب (برای مثال الماس‌ها) شتاب می‌دهند، به‌گونه‌ای که ذرات با سرعتی تا 280km/s به یکدیگر برخورد می‌کنند و به ذرات بسیار ریز در ابعاد نانو خرد می‌شوند. به‌این‌ترتیب، آسیاب‌کاری و پراکنده‌سازی فراصوتی به فنی آسان، کم‌هزینه و عاری از آلاینده تبدیل می‌شود که به‌طور قابل‌اعتماد نانوالماس را کلوخه‌زدایی کرده و به ذراتی در ابعاد نانو تبدیل می‌کند که در محلول کلوئیدی آبی و در گسترهٔ وسیعی از pH پایدار می‌مانند. برای پایدارسازی نانوالماس‌ها در دوغاب آبی از نمک (سدیم کلرید) استفاده می‌شود.
دربارهٔ تجمع‌زدایی فراصوتی نانوالماس برای آماده‌سازی نمونه پیش از آنالیز بیشتر بدانید!
- پراکنده‌سازی بسیار کارآمد در ابعاد نانو
- سریع
- غیرسمی، بدون حلال
- بدون ناخالصی‌هایی که حذفشان دشوار است
- صرفه‌جویی در انرژی و هزینه
- مقیاس‌پذیری خطی برای هر حجم تولید
- سازگار با محیط‌زیست
برتری آسیاب‌کاری فراصوتی نانوالماس بر آسیاب‌های مهره‌ای
سونیکاتورهای پروبی آسیاب‌هایی بسیار کارآمد هستند و استفاده از آن‌ها یک فن جاافتادهٔ آسیاب‌کاری برای تولید انبوه سوسپانسیون‌های نانوالماس در مقیاس صنعتی است. ازآنجاکه آسیاب‌های فراصوتی از خود نانوالماس‌ها به‌عنوان واسطهٔ آسیاب‌کاری استفاده می‌کنند، آلودگی ناشی از واسطه‌های آسیاب‌کاری، برای مثال مهره‌های زیرکونیا، کاملاً حذف می‌شود. در عوض، نیروهای کاویتاسیون فراصوتی به ذرات شتاب می‌دهند تا نانوالماس‌ها به‌شدت با یکدیگر برخورد کنند و به اندازه‌ای یکنواخت در مقیاس نانو خرد شوند. این برخورد بین‌ذره‌ای ناشی از فراصوت، روشی بسیار کارآمد و قابل‌اعتماد برای تولید نانودیسپرسیون‌هایی با توزیع یکنواخت است.
در روش پراکنده‌سازی و تجمع‌زدایی فراصوتی، از افزودنی‌های محلول در آب، غیرسمی و غیرآلاینده مانند سدیم کلرید یا ساکارز برای تنظیم pH و پایدارسازی دیسپرسیون فراصوتی استفاده می‌شود. این ساختارهای بلوری سدیم کلرید یا ساکارز، علاوه بر این، به‌عنوان واسطهٔ آسیاب‌کاری عمل می‌کنند و بدین‌ترتیب به فرایند آسیاب‌کاری فراصوتی کمک می‌کنند. پس از تکمیل فرایند آسیاب‌کاری، این افزودنی‌ها را می‌توان به‌آسانی با یک شست‌وشوی ساده با آب حذف کرد؛ این ویژگی در مقایسه با فرایند مبتنی بر مهره‌های سرامیکی، مزیتی چشمگیر است. در آسیاب‌کاری مهره‌ای سنتی، مانند آسیاب‌های اتریتور، از واسطه‌های آسیاب‌کاری سرامیکی نامحلول (برای مثال گلوله‌ها، مهره‌ها یا دانه‌های مرواریدی) استفاده می‌شود که بقایای حاصل از سایش آن‌ها دیسپرسیون نهایی را آلوده می‌کند. حذف آلودگی ناشی از واسطه‌های آسیاب‌کاری مستلزم پس‌فرآوری پیچیده است و هم زمان‌بر و هم پرهزینه است.
فناوری پراکنده‌سازی فراصوتی، سوسپانسیون‌های آبی نانوالماس با توزیع باریک اندازهٔ ذرات را به‌طور مؤثر تولید می‌کند.
(مطالعه و تصویر: ©Turcheniuk et al., 2016)
سونیکاتور UP400St در حال پراکنده‌سازی نانوالماس‌ها در محلول کلوئیدی آبی
کاهش اندازهٔ ذرات نانوالماس با سونیکاتور UIP1000hdT. منحنی قرمز نمونهٔ فراصوت‌دهی‌نشده را نشان می‌دهد؛ منحنی‌های دیگر پیشرفت فرایند پراکنده‌سازی را با افزایش انرژی فراصوت ورودی نشان می‌دهند.
نمونه‌ای از دستورالعمل پراکنده‌سازی فراصوتی نانوالماس
تجمع‌زدایی فراصوتی نانوالماس‌ها در آب به کمک نمک:
مخلوطی از 10 g سدیم کلرید و 0٫250 g پودر نانوالماس برای مدت کوتاهی به‌صورت دستی با هاون و دسته‌هاون چینی آسیاب شد و همراه با 5 mL آب دیونیزه در یک ویال شیشه‌ای 20 mL قرار گرفت. نمونهٔ آماده‌شده با استفاده از یک سونیکاتور پروبی به‌مدت 100 min با توان خروجی 60% و چرخهٔ کاری 50% فراصوت‌دهی شد. پس از فراصوت‌دهی، نمونه به‌طور مساوی بین دو لولهٔ سانتریفیوژ پلاستیکی Falcon با حجم 50 mL تقسیم و در آب مقطر پراکنده شد تا حجم کل به 100 mL برسد (2 × 50 mL). سپس هر نمونه با استفاده از سانتریفیوژ Eppendorf مدل 5810-R در 4000 rpm و 25°C به‌مدت 10 min سانتریفیوژ شد و مایع رویی شفاف دور ریخته شد. سپس رسوب‌های مرطوب ND دوباره در آب مقطر (حجم کل 100 mL) پراکنده شدند و برای بار دوم در 12٬000 rpm و 25 °C به‌مدت 1 h سانتریفیوژ شدند. بار دیگر مایع رویی شفاف دور ریخته شد و رسوب‌های مرطوب نانوالماس، این بار برای مشخصه‌یابی، دوباره در 5 mL آب مقطر پراکنده شدند. آزمون استاندارد AgNO3 نشان داد که Cl− در نانوالماس‌های تجمع‌زدایی‌شده با فراصوت به کمک نمک که طبق روش بالا دو بار با آب مقطر شسته شده بودند، کاملاً غایب بود. پس از تبخیر آب نمونه‌ها، تشکیل «تراشه‌های» جامد سیاه‌رنگ نانوالماس با بازده ∼200 mg یا 80% از جرم اولیهٔ نانوالماس مشاهده شد. (تصویر زیر را ببینید)
(رجوع کنید به Turcheniuk et al., 2016)
نمونهٔ خشک‌شدهٔ نانوالماس‌های پراکنده‌شده با فراصوت.
(مطالعه و تصویر: ©Turcheniuk et al., 2016)
سونیکاتورهای پربازده برای دیسپرسیون‌های نانوالماس
Hielscher Ultrasonics تجهیزات پربازدهٔ آسیاب‌کاری و پراکنده‌سازی فراصوتی را برای کاربردهای سنگین، مانند تولید دوغاب‌های نانوالماس، مواد پولیش و نانوکامپوزیت‌ها، طراحی، تولید و عرضه می‌کند. سونیکاتورهای Hielscher در سراسر جهان برای پراکنده‌سازی نانومواد در سوسپانسیون‌های کلوئیدی آبی، پلیمرها، رزین‌ها، پوشش‌ها و دیگر مواد با عملکرد بالا به کار می‌روند.
دیسپرس‌کننده‌های فراصوتی Hielscher در فرآوری مواد با گرانروی کم تا زیاد، قابل‌اعتماد و کارآمد هستند. بسته به مواد ورودی و اندازهٔ نهایی هدف برای ذرات، می‌توان شدت فراصوت را برای دستیابی به نتایج بهینهٔ فرایند به‌دقت تنظیم کرد.
برای فرآوری خمیرهای گرانرو، نانومواد و مواد با غلظت بالای جامدات، دیسپرس‌کنندهٔ فراصوتی باید بتواند به‌طور پیوسته دامنه‌های بالا ایجاد کند. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics می‌توانند در کارکرد پیوسته تحت بار کامل، دامنه‌های بسیار بالا فراهم کنند. کارکرد با دامنه‌هایی تا 200µm به‌آسانی در حالت 24/7 امکان‌پذیر است. امکان کارکرد دیسپرس‌کنندهٔ فراصوتی در دامنه‌های بالا و تنظیم دقیق دامنه، برای انطباق شرایط فرایند فراصوتی با فرمولاسیون بهینهٔ نانودوغاب‌های دارای مقدار زیاد پرکننده، مخلوط‌های پلیمری تقویت‌شده با نانومواد و نانوکامپوزیت‌ها ضروری است.
علاوه بر دامنهٔ فراصوت، فشار نیز یکی دیگر از پارامترهای بسیار مهم فرایند است. در فشارهای بالا، شدت کاویتاسیون فراصوتی و نیروهای برشی آن افزایش می‌یابد. راکتورهای فراصوتی Hielscher را می‌توان تحت فشار قرار داد و بدین‌ترتیب نتایج فراصوت‌دهی را تقویت کرد.
پایش فرایند و ثبت داده‌ها برای استانداردسازی مستمر فرایند و کیفیت محصول اهمیت دارند. حسگرهای اتصال‌پذیر فشار و دما برای پایش و کنترل فرایند پراکنده‌سازی فراصوتی از طریق سیم به مولد فراصوت متصل می‌شوند. تمام پارامترهای مهم فرآوری، مانند انرژی فراصوت (خالص + کل)، دما، فشار و زمان، به‌طور خودکار ثبت و روی کارت SD داخلی ذخیره می‌شوند. با دسترسی به داده‌های فرایند که به‌طور خودکار ثبت شده‌اند، می‌توانید اجراهای قبلی فراصوت‌دهی را بازبینی و نتایج فرایند را ارزیابی کنید.
یکی دیگر از قابلیت‌های کاربرپسند سامانه‌های فراصوتی دیجیتال ما، کنترل از راه دور از طریق مرورگر است. از طریق کنترل مرورگری از راه دور، می‌توانید پردازشگر فراصوتی خود را از هر مکانی راه‌اندازی، متوقف، تنظیم و پایش کنید.
همین حالا با ما تماس بگیرید تا دربارهٔ هموژنایزرهای فراصوتی پربازدهٔ ما برای آسیاب‌کاری و تهیهٔ نانودیسپرسیون‌ها بیشتر بدانید!
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی فرآوری 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 |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی پربازده را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Salt-Assisted Ultrasonic Deaggregation of Nanodiamond. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 2016. 25461–25468.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Mondragón Cazorla R., Juliá Bolívar J. E.,Barba Juan A., Jarque Fonfría J. C. (2012): Characterization of silica–water nanofluids dispersed with an ultrasound probe: A study of their physical properties and stability. Powder Technology Vol. 224, 2012.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی پربازده را در مقیاس‌های مختلف، از آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.