پراکنش قابل‌اعتماد نانوذرات برای کاربردهای صنعتی
فراصوت‌دهی با توان بالا می‌تواند کلوخه‌های ذرات را به‌طور کارآمد و قابل‌اعتماد از هم باز کند و حتی ذرات اولیه را متلاشی سازد. به‌دلیل عملکرد عالی در پراکنش، سونیکاتورهای پروبی به‌عنوان روش ترجیحی برای تهیهٔ سوسپانسیون‌های همگن نانوذرات استفاده می‌شوند.
پراکنش قابل‌اعتماد نانوذرات با فراصوت‌دهی
بسیاری از صنایع به تهیهٔ سوسپانسیون‌های حاوی نانوذرات نیاز دارند. نانوذرات، جامداتی با اندازهٔ ذرهٔ کمتر از 100nm هستند. به‌دلیل اندازهٔ بسیار کوچک ذرات، نانوذرات خواص منحصربه‌فردی مانند استحکام استثنایی، سختی، ویژگی‌های نوری، شکل‌پذیری، مقاومت در برابر UV، رسانایی، خواص الکتریکی و الکترومغناطیسی (EM)، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر خراش و دیگر ویژگی‌های فوق‌العاده از خود نشان می‌دهند.
فراصوت با شدت بالا و فرکانس پایین، کاویتاسیون آکوستیکی شدیدی ایجاد می‌کند که با شرایط حادی مانند نیروهای برشی، اختلاف‌های بسیار زیاد فشار و دما و آشفتگی جریان مشخص می‌شود. این نیروهای کاویتاسیونی به ذرات شتاب می‌دهند و موجب برخورد ذرات با یکدیگر و در نتیجه خردشدن آن‌ها می‌شوند. در نتیجه، موادی نانوساختار با منحنی باریک توزیع اندازهٔ ذرات و توزیع یکنواخت به دست می‌آیند.
تجهیزات پراکنش فراصوتی برای فرآوری هر نوع نانوماده در آب و حلال‌های آلی، با گرانروی کم تا بسیار زیاد، مناسب هستند.
نصب صنعتی دستگاه‌های پراکنش فراصوتی (2x UIP1000hdT) برای فرآوری نانوذرات و نانولوله‌ها در حالت پیوستهٔ درون‌خطی.
- نانوذرات
- ذرات فوق‌ریز
- نانولوله‌ها
- نانوبلورها
- نانوکامپوزیت‌ها
- نانوالیاف
- نقاط کوانتومی
- نانوپولک‌ها، نانوورقه‌ها
- نانومیله‌ها، نانوسیم‌ها
- نانوساختارهای 2D و 3D
پراکنش فراصوتی نانولوله‌های کربنی
دستگاه‌های پراکنش فراصوتی به‌طور گسترده برای پراکنده‌سازی نانولوله‌های کربنی (CNTs) استفاده می‌شوند. فراصوت‌دهی روشی قابل‌اعتماد برای بازکردن درهم‌تنیدگی و پراکنده‌سازی نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره (SWCNTs) و نیز نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWCNTs) است. برای مثال، به‌منظور تولید یک پلیمر گرمانرم با رسانایی بالا، Nanocyl® 3100 با خلوص بالا (> 95%) (MWCNTs؛ قطر خارجی 9٫5 nm؛ خلوص 95 +%) با استفاده از Hielscher UP200S به‌مدت 30min. در دمای اتاق به‌صورت فراصوتی پراکنده شده است. نانولوله‌های کربنی چنددیوارهٔ Nanocyl® 3100 که به‌صورت فراصوتی با غلظت 1% w/w در رزین اپوکسی پراکنده شده بودند، رسانایی برتری در حدود 1٫5 × 10-2 S /m نشان دادند.
پراکنش فراصوتی نانوذرات نیکل
نانوذرات نیکل را می‌توان با موفقیت از طریق سنتز به روش احیا با هیدرازین به‌کمک فراصوت تولید کرد. مسیر سنتز احیا با هیدرازین، تهیهٔ نانوذرات کروی نیکل فلزی خالص را از طریق احیای شیمیایی کلرید نیکل با هیدرازین امکان‌پذیر می‌کند. گروه پژوهشی Adám نشان داد که فراصوت‌دهی – با استفاده از Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – توانست میانگین اندازهٔ بلورک اولیه (7–8 nm) را مستقل از دمای اعمال‌شده حفظ کند؛ درحالی‌که استفاده از دوره‌های فراصوت‌دهی شدید و کوتاه‌تر توانست قطرهای حلال‌دینامیکی ذرات ثانویهٔ تجمع‌یافته را، بدون حضور هیچ مادهٔ فعال سطحی، از 710 nm به 190 nm کاهش دهد. بیشترین اسیدیته و فعالیت کاتالیستی برای نانوذرات تهیه‌شده با تیمار فراصوتی ملایم (توان خروجی 30 W) و پیوسته اندازه‌گیری شد. رفتار کاتالیستی نانوذرات در واکنش جفت‌شدن متقاطع Suzuki-Miyaura روی پنج نمونهٔ تهیه‌شده به روش‌های متداول و فراصوتی آزمایش شد. کاتالیست‌های تهیه‌شده به روش فراصوتی معمولاً عملکرد بهتری داشتند و بیشترین فعالیت کاتالیستی برای نانوذرات تهیه‌شده تحت فراصوت‌دهی پیوسته با توان پایین (30 W) اندازه‌گیری شد.
تیمار فراصوتی تأثیرات تعیین‌کننده‌ای بر تمایل نانوذرات به تجمع داشت: اثر ازهم‌گسیختگی ناشی از حفره‌های کاویتاسیونی فروریخته همراه با انتقال جرم شدید می‌توانست بر جاذبهٔ الکترواستاتیکیِ حفره‌های کاویتاسیونی فروریخته همراه با انتقال جرم شدید می‌توانست بر نیروهای جاذبهٔ الکترواستاتیکی و واندروالس بین ذرات غلبه کند.
(ر.ک. Adám et al. 2020)
SonoStation – سامانهٔ پراکنش فراصوتی مجهز به همزن، مخزن و پمپ. SonoStation مجموعه‌ای با کاربری آسان و آمادهٔ فراصوت‌دهی برای حجم‌های متوسط و بزرگ‌تر است
سنتز فراصوتی نانوذرات ولاستونیت
ولاستونیت یک کانی اینوسیلیکات کلسیم با فرمول شیمیایی CaSiO3 است. ولاستونیت به‌طور گسترده به‌عنوان جزئی از مواد اولیهٔ تولید سیمان، شیشه، آجر و کاشی در صنعت ساختمان، به‌عنوان گدازآور در ریخته‌گری فولاد و همچنین به‌عنوان افزودنی در تولید پوشش‌ها و رنگ‌ها استفاده می‌شود. برای مثال، ولاستونیت باعث تقویت، افزایش سختی، جذب کم روغن و بهبودهای دیگر می‌شود. برای دستیابی به خواص تقویت‌کنندگی عالی ولاستونیت، کلوخه‌زدایی در مقیاس نانو و پراکنش یکنواخت ضروری است.
Dordane and Doroodmand (2021) در مطالعات خود نشان دادند که پراکنش فراصوتی عامل بسیار مهمی است که به‌طور چشمگیری بر اندازه و ریخت‌شناسی نانوذرات ولاستونیت تأثیر می‌گذارد. برای ارزیابی سهم فراصوت‌دهی در نانوپراکنش ولاستونیت، گروه پژوهشی نانوذرات ولاستونیت را با و بدون استفاده از فراصوت پرتوان سنتز کرد. پژوهشگران برای آزمایش‌های فراصوت‌دهی خود از پردازشگر فراصوتی UP200H (Hielscher Ultrasonics) با فرکانس 24 kHz به‌مدت 45٫0 min استفاده کردند. نتایج نانوپراکنش فراصوتی در تصویر SEM با وضوح بالای زیر نشان داده شده است. تصویر SEM به‌وضوح نشان می‌دهد که نمونهٔ ولاستونیت پیش از تیمار فراصوتی کلوخه‌شده و تجمع‌یافته است؛ پس از فراصوت‌دهی با سونیکاتور UP200H، میانگین اندازهٔ ذرات ولاستونیت حدود 10nm است. این مطالعه نشان می‌دهد که پراکنش فراصوتی روشی قابل‌اعتماد و کارآمد برای سنتز نانوذرات ولاستونیت است. میانگین اندازهٔ نانوذرات را می‌توان با تنظیم پارامترهای فرآوری فراصوتی کنترل کرد.
(ر.ک. Dordane and Doroodmand, 2021)
تصاویر SEM نانوذرات ولاستونیت (A) پیش از و (B) پس از فراصوت‌دهی با استفاده از پردازشگر فراصوتی UP200H به‌مدت 45٫0 min.
مطالعه و تصویر: ©Dordane and Doroodmand, 2021.
پراکنش فراصوتی نانوپرکننده‌ها
فراصوت‌دهی روشی چندمنظوره برای پراکنده‌سازی و کلوخه‌زدایی نانوپرکننده‌ها در مایعات و دوغاب‌ها، مانند پلیمرها، رزین‌های اپوکسی، سخت‌کننده‌ها، گرمانرم‌ها و غیره است. ازاین‌رو، فراصوت‌دهی به‌طور گسترده به‌عنوان روشی بسیار کارآمد برای پراکنش در تحقیق‌وتوسعه و تولید صنعتی استفاده می‌شود.
Zanghellini et al. (2021) روش پراکنش فراصوتی نانوپرکننده‌ها در رزین اپوکسی را بررسی کردند. او توانست نشان دهد که فراصوت‌دهی قادر است نانوپرکننده‌ها را در غلظت‌های کم و زیاد در یک ماتریس پلیمری پراکنده کند.
در مقایسهٔ فرمولاسیون‌های مختلف، CNT اکسیدشده با مقدار 0٫5 wt% بهترین نتایج را در میان تمام نمونه‌های فراصوت‌دهی‌شده نشان داد؛ توزیع اندازهٔ بیشتر کلوخه‌ها در محدوده‌ای قابل‌مقایسه با نمونه‌های تولیدشده با آسیاب سه‌غلتکی قرار داشت، اتصال خوبی به سخت‌کننده ایجاد شد و شبکه‌ای تراوشی درون پراکنه شکل گرفت که نشان‌دهندهٔ پایداری در برابر ته‌نشینی و در نتیجه پایداری بلندمدت مناسب است. مقادیر بالاتر پرکننده نیز نتایج خوب مشابهی نشان دادند، اما موجب تشکیل شبکه‌های داخلی بارزتر و همچنین کلوخه‌های تاحدی بزرگ‌تر شدند. حتی نانوالیاف کربنی (CNF) نیز با فراصوت‌دهی با موفقیت پراکنده شدند. پراکنش مستقیم فراصوتی (US) نانوپرکننده‌ها در سامانه‌های سخت‌کننده بدون حلال‌های اضافی با موفقیت انجام شد؛ بنابراین می‌توان آن را روشی قابل‌اجرا برای پراکنش ساده و بی‌واسطه با قابلیت استفادهٔ صنعتی دانست. (ر.ک. Zanghellini et al., 2021)
مقایسهٔ نانوپرکننده‌های مختلف پراکنده‌شده در سخت‌کننده (فراصوت‌دهی–US): (a) نانوالیاف کربنی (CNF) با مقدار 0٫5 wt%؛ (b) CNToxi با مقدار 0٫5 wt%؛ (c) نانولولهٔ کربنی (CNT) با مقدار 0٫5 wt%؛ (d) CNT نیمه‌پراکنده با مقدار 0٫5 wt%.
(مطالعه و تصویر: © Zanghellini et al., 2021)
پراکنش فراصوتی نانوذرات – برتری اثبات‌شده با شواهد علمی
پژوهش‌ها در مطالعات پیشرفتهٔ متعدد نشان می‌دهند که پراکنش فراصوتی یکی از روش‌های برتر برای کلوخه‌زدایی و توزیع نانوذرات در مایعات، حتی در غلظت‌های بالا، است. برای مثال، Vikash (2020) پراکنش مقادیر بالای نانوسیلیکا در مایعات گرانرو را با استفاده از دستگاه پراکنش فراصوتی Hielscher UP400S بررسی کرد. او در مطالعهٔ خود به این نتیجه رسید که «با استفاده از دستگاه فراصوت‌دهی می‌توان در مایعات گرانرو با بارگذاری بالای مواد جامد به پراکنش پایدار و یکنواخت نانوذرات دست یافت.» [Vikash, 2020]
سونیکاتور UP400St در حال پراکنده‌سازی نانوذرات در سوسپانسیون‌های کلوئیدی
- پراکنده‌سازی
- کلوخه‌زدایی
- متلاشی‌سازی / آسیاب‌کردن
- کاهش اندازهٔ ذرات
- سنتز و رسوب‌دهی نانوذرات
- عامل‌دارسازی سطح
- اصلاح ذرات
پردازشگرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای پراکنش نانوذرات
Hielscher Ultrasonics تأمین‌کنندهٔ قابل‌اعتماد شما برای تجهیزات فراصوتی مطمئن و با عملکرد بالا، از سامانه‌های آزمایشگاهی و پایلوت تا سامانه‌های تمام‌صنعتی است. دستگاه‌های Hielscher Ultrasonics دارای سخت‌افزار پیشرفته، نرم‌افزار هوشمند و کاربری فوق‌العاده آسان هستند – طراحی و ساخت آلمان. دستگاه‌های فراصوتی مستحکم Hielscher برای پراکنش، کلوخه‌زدایی، سنتز و عامل‌دارسازی نانوذرات می‌توانند به‌صورت 24/7/365 تحت بار کامل کار کنند. بسته به فرآیند و تأسیسات تولیدی شما، سونیکاتورهای ما را می‌توان در حالت ناپیوسته یا پیوستهٔ درون‌خطی به کار گرفت. لوازم جانبی گوناگون مانند سونوتْرودها (پروب‌های فراصوتی)، هورن‌های تقویت‌کننده، سلول‌های جریان و راکتورها به‌راحتی در دسترس هستند.
برای دریافت اطلاعات فنی بیشتر، مطالعات علمی، پروتکل‌ها و پیشنهاد قیمت سامانه‌های نانوپراکنش فراصوتی ما، همین حالا با ما تماس بگیرید! کارکنان آموزش‌دیده و باتجربهٔ ما خوشحال خواهند شد دربارهٔ کاربرد نانویی شما با شما گفت‌وگو کنند!
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
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 |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنش، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- Adám, Adele Anna; Szabados, M.; Varga, G.; Papp, Á.; Musza, K.; Kónya, Z.; Kukovecz, Á.; Sipos, P.; Pálinkó, I. (2020): Ultrasound-Assisted Hydrazine Reduction Method for the Preparation of Nickel Nanoparticles, Physicochemical Characterization and Catalytic Application in Suzuki-Miyaura Cross-Coupling Reaction. Nanomaterials 10(4), 2020.
- Siti Hajar Othman, Suraya Abdul Rashid, Tinia Idaty Mohd Ghazi, Norhafizah Abdullah (2012): Dispersion and Stabilization of Photocatalytic TiO2 Nanoparticles in Aqueous Suspension for Coatings Applications. Journal of Nanomaterials, Vol. 2012.
- Vikash, Vimal Kumar (2020): Ultrasonic-assisted de-agglomeration and power draw characterization of silica nanoparticles. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 65, 2020.
- Zanghellini,B.; Knaack,P.; Schörpf, S.; Semlitsch, K.-H.; Lichtenegger, H.C.; Praher, B.; Omastova, M.; Rennhofer, H. (2021): Solvent-Free Ultrasonic Dispersion of Nanofillers in Epoxy Matrix. Polymers 2021, 13, 308.
- Jeevanandam J., Barhoum A., Chan Y.S., Dufresne A., Danquah M.K. (2918): Review on nanoparticles and nanostructured materials: history, sources, toxicity and regulations. Beilstein Journal of Nanotechnology Vol. 9, 2018. 1050-1074.
- Guadagno, Liberata; Raimondo, Marialuigia; Lafdi, Khalid; Fierro, Annalisa; Rosolia, Salvatore; and Nobile, Maria Rossella (2014): Influence of Nanofiller Morphology on the Viscoelastic Properties of CNF/Epoxy Resins. Chemical and Materials Engineering Faculty Publications 9, 2014.
دانستنی‌ها
مواد نانوساختار چیستند؟
هنگامی که دست‌کم یکی از ابعاد یک سامانه کمتر از 100nm باشد، آن را نانوساختار تعریف می‌کنند. به‌عبارت دیگر، نانوساختار ساختاری است که اندازهٔ آن بین مقیاس میکروسکوپی و مولکولی قرار دارد. برای توصیف و تمایز صحیح نانوساختارها، لازم است تعداد ابعادی از حجم یک جسم را که در مقیاس نانو هستند از هم متمایز کرد.
در ادامه، چند اصطلاح مهم که بیانگر ویژگی‌های خاص مواد نانوساختار هستند آمده است:
مقیاس نانو: محدودهٔ اندازهٔ تقریباً 1 تا 100 nm.
نانوماده: ماده‌ای با هرگونه ساختار داخلی یا خارجی در ابعاد نانومقیاس. اصطلاحات نانوذره و ذرهٔ فوق‌ریز (UFP) اغلب به‌جای یکدیگر استفاده می‌شوند، هرچند اندازهٔ ذرات فوق‌ریز ممکن است به محدودهٔ میکرومتر برسد.
نانوشیء: ماده‌ای که یک یا چند بُعد خارجی در مقیاس نانو دارد.
نانوذره: نانوشیئی با سه بُعد خارجی در مقیاس نانو.
نانولیف: هنگامی که یک نانوماده دارای دو بُعد خارجی مشابه در مقیاس نانو و بُعد سوم بزرگ‌تر باشد، نانولیف نامیده می‌شود.
نانوکامپوزیت: ساختار چندفازی با دست‌کم یک فاز در ابعاد نانومقیاس.
نانوساختار: آرایشی از اجزای تشکیل‌دهندهٔ به‌هم‌پیوسته در محدودهٔ نانومقیاس.
مواد نانوساختار: موادی دارای نانوساختار داخلی یا سطحی.
(ر.ک. Jeevanandam et al., 2018)
آیا می‌توانم برای تهیهٔ پراکنه‌ها مطابق با ISO/TS 22107:2021 از سونیکاتور پروبی استفاده کنم؟
بله، سونیکاتور پروبی برای تهیهٔ پراکنه‌های کلوئیدی مطابق با ISO/TS 22107:2021 بسیار مناسب است. این مشخصهٔ فنی، فرآیند گام‌به‌گام پراکنده‌پذیری را تشریح می‌کند – شامل ترکردن پودر، همگن‌سازی توده و کلوخه‌زدایی ذرات. فراصوت‌دهی پروبی با ایجاد کاویتاسیون آکوستیکی با شدت بالا، هر یک از این مراحل را به‌طور مؤثر تسهیل می‌کند و موجب ترشدن سریع، توزیع یکنواخت ذرات و کاهش کارآمد اندازهٔ کلوخه‌ها می‌شود. افزون بر این، پراکنش فراصوتی از نظر انرژی کنترل‌شده و تکرارپذیر است و با الزامات ISO/TS 22107:2021 برای پروتکل‌های پراکنش قابل‌ردیابی و متناسب با کاربرد هم‌راستا است.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را از مقیاس آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.