Ultraäänikäsittelyllä vesisuspensioon dispergoidut nanotimantit

Nanotimanttidispersioita voidaan valmistaa nopeasti ja tehokkaasti valmistajan Hielscher ultraäänilaitteilla. Vesisuspensiossa ultraäänellä tehtävä aggregaattien hajotus varmistaa aggregaattien luotettavan hajoamisen ja stabiilien kolloidien muodostumisen. Kun tähän yhdistetään yksinkertainen suolan lisäys pH:n säätämiseksi, menetelmä tarjoaa helpon, edullisen ja epäpuhtauksia tuottamattoman lähestymistavan. Skaalautuvuutensa ja suoraviivaisen toteutuksensa ansiosta ultraäänidispergointi soveltuu erittäin hyvin paitsi laboratoriotutkimukseen myös nanotimanttien käsittelyyn teollisessa mittakaavassa.

Nanotimanttiaggregaattien tehokas hajotus ilman kontaminaatiota

Nanotimantteja käytetään yhä enemmän biolääketieteessä, kvanttiteknologioissa, tribologiassa ja kehittyneissä komposiiteissa, mutta niiden luontainen taipumus muodostaa kovia aggregaatteja rajoittaa usein suorituskykyä. Erillisistä hiukkasista koostuvien stabiilien kolloidien aikaansaaminen on siksi edellytys tarkalle karakterisoinnille ja luotettavalle käytölle. Tavanomaiset aggregaattien hajotusmenetelmät perustuvat usein voimakkaisiin jauhatusmenetelmiin, jotka tuovat materiaaliin zirkoniumdioksidia tai muita epäpuhtauksia, mikä vaikeuttaa puhdistusta ja rajoittaa biolääketieteellistä käyttöä. Ultraäänidispergointi tarjoaa nopean, skaalautuvan ja epäpuhtauksia tuottamattoman vaihtoehdon. Anturityyppiset ultraäänilaitteet hyödyntävät akustista kavitaatiota vesipohjaisissa väliaineissa ja hajottavat aggregaatit tehokkaasti nanotimanteiksi, joiden koko ilmaistaan yksinumeroisella luvulla. Kun tähän yhdistetään yksinkertainen suola-avusteinen pH:n säätö, menetelmä tuottaa stabiileja kolloideja laajalla pH-alueella ilman myrkyllisiä sivutuotteita, mikä tekee siitä erittäin houkuttelevan sekä laboratoriotutkimukseen että teollisen mittakaavan tuotantoon.

Nanotimantteja voidaan dispergoida tehokkaasti ja luotettavasti valmistajan Hielscher ultraäänilaitteilla.

Miten nanotimanttien ultraäänijauhatus ja -dispergointi toimivat?

Ultraäänidispergoinnissa käytetään itse nanotimantteja jauhatuskappaleina. Suuritehoisten ultraääniaaltojen synnyttämä akustinen kavitaatio muodostaa nopeita nestevirtauksia. Nämä nestevirtaukset kiihdyttävät lietteen hiukkasia (esim. timantteja) niin, että hiukkaset törmäävät toisiinsa jopa 280km/s:n nopeudella ja pirstoutuvat erittäin pieniksi nanokokoisiksi hiukkasiksi. Tämä tekee ultraäänijauhatuksesta ja -dispergoinnista helpon, edullisen ja epäpuhtauksia tuottamattoman menetelmän, joka hajottaa nanotimanttiagglomeraatit luotettavasti nanokokoisiksi hiukkasiksi, jotka pysyvät stabiileina vesipohjaisessa kolloidiliuoksessa laajalla pH-alueella. Suolaa (natriumkloridia) käytetään nanotimanttien stabilointiin vesipohjaisessa lietteessä.

 

 
Lue lisää nanotimanttiaggregaattien ultraäänihajotuksesta analyysia edeltävässä näytteiden valmistelussa!
 

Nanotimanttien ultraäänijauhatus päihittää helmimyllyt

Anturityyppiset ultraäänilaitteet ovat erittäin tehokkaita myllyjä, ja ultraäänijauhatus on vakiintunut menetelmä nanotimanttisuspensioiden laajamittaiseen tuotantoon teollisessa mittakaavassa. Koska ultraäänimyllyt käyttävät nanotimantteja jauhatuskappaleina, jauhatuskappaleiden, esimerkiksi zirkoniumdioksidihelmien, aiheuttama kontaminaatio vältetään kokonaan. Sen sijaan ultraäänen kavitaatiovoimat kiihdyttävät hiukkasia niin, että nanotimantit törmäävät voimakkaasti toisiinsa ja hajoavat tasakokoisiksi nanohiukkasiksi. Tämä ultraäänellä aikaansaatu hiukkasten välinen törmäily on erittäin tehokas ja luotettava menetelmä tasaisesti jakautuneiden nanodispersioiden tuotantoon.
Ultraäänidispergointi- ja aggregaattien hajotusmenetelmässä käytetään vesiliukoisia, myrkyttömiä ja kontaminaatiota aiheuttamattomia lisäaineita, kuten natriumkloridia tai sakkaroosia, pH:n säätämiseen ja ultraäänellä tuotetun dispersion stabilointiin. Nämä natriumkloridin tai sakkaroosin kiderakenteet toimivat myös jauhatuskappaleina ja tukevat siten ultraäänijauhatusta. Jauhatusprosessin päätyttyä nämä lisäaineet voidaan poistaa helposti pelkällä vesihuuhtelulla, mikä on huomattava etu keraamisia helmiä käyttävään prosessiin verrattuna. Perinteisessä helmijauhatuksessa, esimerkiksi attritorimyllyissä, käytetään liukenemattomia keraamisia jauhatuskappaleita (esim. kuulia, rakeita tai helmiä), joiden kulumisjäämät kontaminoivat lopullisen dispersion. Jauhatuskappaleiden aiheuttaman kontaminaation poistaminen edellyttää monimutkaista jälkikäsittelyä ja on sekä aikaa vievää että kallista.

Ultraäänidispergointitekniikka tuottaa tehokkaasti vesipohjaisia nanotimanttisuspensioita, joiden hiukkaskokojakauma on kapea.
(Tutkimus ja kuva: ©Turcheniuk et al., 2016)

Esimerkkiprotokolla nanotimanttien ultraäänidispergointiin

Nanotimanttiaggregaattien suola-avusteinen ultraäänihajotus vedessä:
Seosta, jossa oli 10 g natriumkloridia ja 0,250 g nanotimanttijauhetta, jauhettiin lyhyesti käsin posliinimorttelilla ja survimella, minkä jälkeen se laitettiin 20 mL:n lasipulloon yhdessä deionisoidun veden (5 mL) kanssa. Valmistettua näytettä ultraäänikäsiteltiin anturityyppisellä ultraäänilaitteella 100 min ajan käyttäen 60%:n lähtötehoa ja 50%:n käyttösuhdetta. Ultraäänikäsittelyn jälkeen näyte jaettiin tasan kahteen 50 mL:n muoviseen Falcon-sentrifugiputkeen ja dispergoitiin tislattuun veteen siten, että kokonaistilavuudeksi tuli 100 mL (2 × 50 mL). Kumpikin näyte sentrifugoitiin sitten Eppendorf 5810-R -sentrifugilla nopeudella 4 000 rpm ja lämpötilassa 25°C 10 min ajan, ja kirkas supernatantti poistettiin. Märät ND-saostumat dispergoitiin tämän jälkeen uudelleen tislattuun veteen (kokonaistilavuus 100 mL) ja sentrifugoitiin toisen kerran nopeudella 12 000 rpm ja lämpötilassa 25 °C 1 h ajan. Kirkas supernatantti poistettiin jälleen, ja märät nanotimanttisaostumat dispergoitiin uudelleen, tällä kertaa 5 mL:aan tislattua vettä karakterisointia varten. Tavanomainen AgNO3-testi osoitti Cl⁻ -ionien puuttuvan kokonaan nanotimanteista, joiden aggregaatit oli hajotettu suola-avusteisella ultraäänikäsittelyllä ja jotka oli pesty tislatulla vedellä kahdesti edellä kuvatulla tavalla. Veden haihduttamisen jälkeen näytteissä havaittiin mustien, kiinteiden nanotimantti-”lastujen” muodostumista, ja saanto oli ∼200 mg eli 80% alkuperäisestä nanotimanttimassasta. (katso alla oleva kuva)
(vrt. Turcheniuk et al., 2016)

Kuivattu näyte ultraäänellä dispergoiduista nanotimanteista.
(Tutkimus ja kuva: ©Turcheniuk et al., 2016)

Tehokkaat ultraäänilaitteet nanotimanttidispersioille

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja toimittaa tehokkaita ultraäänijauhatus- ja -dispergointilaitteita vaativiin käyttökohteisiin, kuten nanotimanttilietteiden, kiillotusaineiden ja nanokomposiittien valmistukseen. Valmistajan Hielscher ultraäänilaitteita käytetään maailmanlaajuisesti nanomateriaalien dispergointiin vesipohjaisiin kolloidisuspensioihin, polymeereihin, hartseihin, pinnoitteisiin ja muihin suorituskykyisiin materiaaleihin.
Valmistajan Hielscher ultraäänidispergointilaitteet käsittelevät luotettavasti ja tehokkaasti materiaaleja matalista korkeisiin viskositeetteihin. Lähtömateriaalien ja tavoitellun lopullisen hiukkaskoon mukaan ultraäänen intensiteettiä voidaan säätää tarkasti optimaalisten prosessitulosten saavuttamiseksi.
Viskoosisten tahnojen, nanomateriaalien ja suuria kiintoainepitoisuuksia sisältävien materiaalien käsittelemiseksi ultraäänidispergointilaitteen on kyettävä tuottamaan jatkuvasti suuria amplitudeja. Hielscher Ultrasonics -yhtiön teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja jatkuvassa käytössä täydellä kuormalla. Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan käyttää helposti ympärivuorokautisessa 24/7-käytössä. Mahdollisuus käyttää ultraäänidispergointilaitetta suurilla amplitudeilla ja säätää amplitudia tarkasti on tarpeen ultraääniprosessin olosuhteiden mukauttamiseksi, jotta voidaan muodostaa optimaaliset koostumukset runsaasti kiintoainetta sisältäville nanolietteille, nanovahvisteisille polymeeriseoksille ja nanokomposiiteille.
Ultraäänen amplitudin lisäksi paine on toinen erittäin tärkeä prosessiparametri. Korotetussa paineessa ultraäänikavitaation intensiteetti ja sen leikkausvoimat voimistuvat. Valmistajan Hielscher ultraäänireaktorit voidaan paineistaa, jolloin saadaan tehostettuja ultraäänikäsittelytuloksia.
Prosessin seuranta ja tietojen tallennus ovat tärkeitä prosessin jatkuvan standardoinnin ja tuotteen laadun kannalta. Liitettävät paine- ja lämpötila-anturit kytketään ultraäänigeneraattoriin ultraäänidispergointiprosessin seurantaa ja ohjausta varten. Kaikki tärkeät käsittelyparametrit, kuten ultraäänienergia (netto + kokonaisenergia), lämpötila, paine ja aika, kirjataan automaattisesti ja tallennetaan sisäänrakennetulle SD-kortille. Automaattisesti tallennettujen prosessitietojen avulla voit tarkastella aiempia ultraäänikäsittelyajoja ja arvioida prosessin tuloksia.
Toinen käyttäjäystävällinen ominaisuus on digitaalisten ultraäänijärjestelmiemme selainpohjainen etäohjaus. Selainpohjaisen etäohjauksen avulla voit käynnistää ja pysäyttää ultraääniprosessorisi sekä säätää ja seurata sitä etänä mistä tahansa.
Ota meihin yhteyttä nyt ja lue lisää tehokkaista ultraäänihomogenisaattoreistamme jauhatukseen ja nanodispersioiden valmistukseen!
Alla oleva taulukko antaa suuntaa ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: