Nanomateriaalien (nanohiukkasten) ultraäänidispergointi
Nanomateriaaleista on tullut olennainen osa niinkin erilaisia tuotteita kuin huippusuorituskykyiset materiaalit, aurinkosuojatuotteet, suorituskykyiset pinnoitteet ja muovikomposiitit. Ultraäänikavitaatiota käytetään nanokokoisten hiukkasten dispergointiin nesteisiin, kuten veteen, öljyyn, liuottimiin tai hartseihin.
Nanohiukkasten ultraäänidispergointi
Menetelmänä käytettävällä nanohiukkasten ultraäänidispergoinnilla on monenlaisia vaikutuksia. Ilmeisin niistä on materiaalien dispergointi nesteisiin hiukkasagglomeraattien hajottamiseksi. Toinen prosessi on ultraäänen käyttö hiukkassynteesin tai saostuksen aikana. Yleensä tämä johtaa pienempiin hiukkasiin ja tasaisempaan kokojakaumaan. Ultraäänikavitaatio parantaa myös aineensiirtoa hiukkasten pinnoilla. Tätä vaikutusta voidaan käyttää parantamaan pinnan funktionalisointia materiaaleissa, joiden ominaispinta-ala on suuri.
Nanomateriaalien dispergointi ja koon pienentäminen
Nanomateriaalit, kuten metallioksidit, nanosavet tai hiilinanoputket, pyrkivät agglomeroitumaan, kun ne sekoitetaan nesteeseen. Tehokkaita menetelmiä agglomeraattien hajottamiseen ja dispergointiin tarvitaan sidosvoimien voittamiseksi jauheen kostuttamisen jälkeen. Agglomeraattirakenteiden hajottaminen ultraäänellä vesipohjaisissa ja muissa kuin vesipohjaisissa suspensioissa mahdollistaa nanokokoisten materiaalien täyden potentiaalin hyödyntämisen. Nanohiukkasagglomeraattien erilaisilla dispersioilla, joiden kiintoainepitoisuus vaihtelee, tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet ultraäänen huomattavan edun muihin tekniikoihin verrattuna. Näitä ovat esimerkiksi roottori-staattorisekoittimet (esim. ultra turrax), mäntähomogenisaattorit ja märkäjauhatusmenetelmät, kuten helmimyllyt tai kolloidimyllyt. Ultraäänijärjestelmiä (Hielscher) voidaan käyttää melko suurilla kiintoainepitoisuuksilla. Esimerkiksi piidioksidin hajoamisnopeuden todettiin olevan riippumaton kiintoainepitoisuudesta aina 50 %:iin asti massasta laskettuna. Ultraääntä voidaan käyttää väkevien masterbatch-seosten dispergointiin – käsittelemällä sekä pienen että suuren viskositeetin nesteitä. Tämä tekee ultraäänestä hyvän käsittelyratkaisun maaleille ja pinnoitteille, jotka perustuvat erilaisiin väliaineisiin, kuten veteen, hartsiin tai öljyyn.
Ultraäänihomogenisaattori UP400St nanodispersioiden valmistukseen
Ultraäänikavitaatio
Ultraäänikäsittelyllä aikaansaatu dispergointi ja agglomeraattien hajotus ovat seurausta ultraäänikavitaatiosta. Kun nesteitä altistetaan ultraäänelle, nesteessä etenevät ääniaallot synnyttävät vuorottelevia korkean ja matalan paineen jaksoja. Tämä kohdistaa mekaanista rasitusta yksittäisten hiukkasten välisiin vetovoimiin. Ultraäänikavitaatio synnyttää nesteissä nopeita nestesuihkuja, joiden nopeus on jopa 1000 km/hr (noin 600 mph). Tällaiset suihkut puristavat nestettä suurella paineella hiukkasten väliin ja erottavat hiukkaset toisistaan. Pienemmät hiukkaset kiihtyvät nestesuihkujen mukana ja törmäävät toisiinsa suurilla nopeuksilla. Tämä tekee ultraäänestä tehokkaan menetelmän mikrometrikokoisten ja sitä pienempien hiukkasten dispergointiin sekä jauhatukseen .
Ultraääniavusteinen hiukkassynteesi / saostus
Nanohiukkasia voidaan valmistaa alhaalta ylöspäin rakentamalla synteesin tai saostuksen avulla. Sonokemia on yksi varhaisimmista nanokokoisten yhdisteiden valmistukseen käytetyistä tekniikoista. Alkuperäisessä tutkimuksessaan Suslick käsitteli ultraäänellä yhdistettä Fe(CO)5 joko puhtaana nesteenä tai deaclin-liuoksessa ja sai kooltaan 10–20 nm:n amorfisia rautananohiukkasia. Yleensä ylikyllästynyt seos alkaa muodostaa kiinteitä hiukkasia erittäin väkevästä materiaalista. Ultraäänikäsittely parantaa lähtöaineiden sekoittumista ja lisää aineensiirtoa hiukkasten pinnalla. Tämä johtaa pienempään hiukkaskokoon ja suurempaan tasalaatuisuuteen.
UIP2000hdT, tehokas 2 kW:n ultraäänilaite SWCNT-hiilinanoputkien dispergointiin.
Pinnan funktionalisointi ultraäänellä
Monet nanomateriaalit, kuten metallioksidit, mustesuihkumusteen ja väriainejauheen pigmentit tai suorituskykyisten pinnoitteiden täyteaineet, edellyttävät pinnan funktionalisointia. Jokaisen yksittäisen hiukkasen koko pinnan funktionalisointi edellyttää hyvää dispergointimenetelmää. Dispergoituja hiukkasia ympäröi tavallisesti hiukkasen pintaan vetäytyvien molekyylien muodostama rajakerros. Jotta uudet funktionaaliset ryhmät pääsevät hiukkasen pinnalle, tämä rajakerros on hajotettava tai poistettava. Ultraäänikavitaation synnyttämät nestesuihkut voivat saavuttaa jopa 1000 km/hr:n nopeuden. Tämä rasitus auttaa voittamaan vetovoimat ja kuljettaa funktionaaliset molekyylit hiukkasen pinnalle. Sonokemiassa tätä vaikutusta käytetään dispergoitujen katalyyttien suorituskyvyn parantamiseen.
Ultraäänikäsittely ennen hiukkaskoon mittausta
Näytteiden ultraäänikäsittely parantaa hiukkaskoon tai morfologian mittauksen tarkkuutta. Uusi SonoStep yhdistää näytteiden ultraäänikäsittelyn, sekoituksen ja pumppauksen kompaktissa laitteessa. Se on helppokäyttöinen, ja sitä voidaan käyttää ultraäänikäsiteltyjen näytteiden syöttämiseen analyysilaitteisiin, kuten hiukkaskokoanalysaattoreihin. Voimakas ultraäänikäsittely auttaa dispergoimaan agglomeroituneita hiukkasia, mikä johtaa yhdenmukaisempiin tuloksiin. Napsauta tästä ja lue lisää!
Ultraäänikäsittely laboratorio- ja tuotantomittakaavassa
Agglomeraattien hajottamiseen ja dispergointiin tarkoitettuja ultraääniprosessoreita ja virtauskennoja on saatavilla laboratorio- ja tuotantomittakaavaan . Teollisuusjärjestelmät voidaan helposti jälkiasentaa toimimaan jatkuvassa virtausprosessissa. Tutkimukseen ja prosessikehitykseen suosittelemme UIP1000hd (1 000 wattia)-laitetta.
Hielscher tarjoaa laajan valikoiman ultraäänilaitteita ja lisävarusteita nanomateriaalien tehokkaaseen dispergointiin esimerkiksi maaleihin, musteisiin ja pinnoitteisiin.
- Kompaktit laboratoriolaitteet teholtaan enintään 400 wattia.
Näitä laitteita käytetään pääasiassa näytteiden valmisteluun tai alustaviin toteutettavuustutkimuksiin, ja niitä voi vuokrata. - 500 ja 1 000 ja 2 000 watin ultraääniprosessorit, kuten kokoonpano UIP1000hd, jossa on virtauskenno sekä erilaisia amplitudinvahvistimia ja sonotrodeja, voivat käsitellä suurempia tilavuusvirtoja.
Tällaisia laitteita käytetään parametrien (kuten amplitudin, käyttöpaineen, tilavuusvirran jne.) optimointiin pöytälaitteiden tai pilottilaitoksen mittakaavassa. - Ultraääniprosessorit, joiden teho on 2 kW, 4 kW, 10 kW ja 16 kW , sekä useista tällaisista yksiköistä koostuvat suuremmat laiteryhmät voivat käsitellä tuotannon tilavuusvirtoja lähes millä tahansa tasolla.
Pöytälaitteita voi vuokrata edullisin ehdoin prosessikokeita varten. Tällaisten kokeiden tulokset voidaan skaalata lineaarisesti tuotantotasolle – mikä vähentää prosessikehitykseen liittyviä riskejä ja kustannuksia. Autamme mielellämme verkossa, puhelimitse tai henkilökohtaisesti. Löydät osoitteemme täältä, tai voit käyttää alla olevaa lomaketta.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1–500 mL | 10–200 mL/min | UP100H |
| 10–2000 mL | 20–400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20 L | 0,2–4 L/min | UIP2000hdT |
| 10–100 L | 2–10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä, joka koostuu laitteista UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Nanomateriaalit – taustatietoa
Nanomateriaalit ovat kooltaan alle 100 nm:n materiaaleja. Niitä otetaan nopeasti käyttöön maalien, musteiden ja pinnoitteiden koostumuksissa. Nanomateriaalit jakautuvat kolmeen laajaan luokkaan: metallioksidit, nanosavet ja hiilinanoputket. Metallioksidinanohiukkasiin kuuluvat nanokokoinen sinkkioksidi, titaanioksidi, rautaoksidi, ceriumoksidi ja zirkoniumoksidi sekä usean metallin yhdisteet, kuten indiumtinaoksidi ja zirkonium ja titaani, sekä usean metallin yhdisteet, kuten indiumtinaoksidi. Tällä pienikokoisella aineella on vaikutusta moniin tieteenaloihin, kuten fysiikkaan, kemiaan ja biologiaan. Maaleissa ja pinnoitteissa nanomateriaalit täyttävät koristeellisia tarpeita (esim. väri ja kiilto) ja toiminnallisia tarkoituksia (esim. johtavuus ja mikrobien inaktivointi) sekä parantavat maalien ja pinnoitteiden suojaavia ominaisuuksia (esim. naarmuuntumiskestävyys ja UV-stabiilisuus). Erityisesti nanokokoisia metallioksideja, kuten TiO2:ta ja ZnO:ta tai alumiinioksidia, ceriumdioksidia ja piidioksidia , sekä nanokokoisia pigmenttejä käytetään uusissa maali- ja pinnoitekoostumuksissa.
Kun aineen kokoa pienennetään, sen ominaisuudet muuttuvat, esimerkiksi väri ja vuorovaikutus muiden aineiden kanssa, kuten kemiallinen reaktiivisuus. Ominaisuuksien muutos johtuu elektronisten ominaisuuksien muutoksesta. Hiukkaskoon pienentäminen kasvattaa materiaalin pinta-alaa. Tämän vuoksi suurempi osuus atomeista voi olla vuorovaikutuksessa muiden aineiden, esimerkiksi hartsien matriisin, kanssa.
Pinta-aktiivisuus on nanomateriaalien keskeinen ominaisuus. Agglomeroituminen ja aggregoituminen estävät pinta-alaa olemasta kosketuksissa muiden aineiden kanssa. Vain hyvin dispergoidut tai yksittäin dispergoidut hiukkaset mahdollistavat aineen koko hyödyllisen potentiaalin hyödyntämisen. Hyvä dispergointi vähentää siten samojen vaikutusten saavuttamiseen tarvittavien nanomateriaalien määrää. Koska useimmat nanomateriaalit ovat edelleen melko kalliita, tämä näkökohta on erittäin tärkeä nanomateriaaleja sisältävien tuotekoostumusten kaupallistamisessa. Nykyään monet nanomateriaalit valmistetaan kuivaprosessilla. Tämän vuoksi hiukkaset on sekoitettava nestemäisiin koostumuksiin. Tässä vaiheessa useimmat nanohiukkaset muodostavat agglomeraatteja kostutuksen aikana. Erityisesti hiilinanoputket ovat voimakkaasti koheesiivisia, mikä vaikeuttaa niiden dispergointia nesteisiin, kuten veteen, etanoliin, öljyyn, polymeeriin tai epoksihartsiin. Perinteiset käsittelylaitteet, kuten suuria leikkausvoimia tuottavat sekoittimet tai roottori-staattorisekoittimet, korkeapainehomogenisaattorit tai kolloidi- ja levymyllyt, eivät kykene riittävästi erottamaan nanohiukkasia erillisiksi hiukkasiksi. Erityisesti pienikokoiselle aineelle, jonka koko vaihtelee muutamasta nanometristä pariin mikrometriin, ultraäänikavitaatio on erittäin tehokas agglomeraattien, aggregaattien ja jopa primäärihiukkasten hajottamisessa. Kun ultraääntä käytetään väkevien erien jauhatukseen , ultraäänikavitaation synnyttämät nestesuihkut saavat hiukkaset törmäämään toisiinsa jopa 1000 km/h:n nopeudella. Tämä rikkoo van der Waalsin voimat agglomeraateissa ja jopa primäärihiukkasissa.
Hielscher Ultrasonics valmistaa tehokkaita ultraäänihomogenisaattoreita sekoitussovelluksiin, dispergointiin, emulgointiin ja uuttoon laboratorio-, pilotti- ja teollisuusmittakaavassa.