Luotettava nanohiukkasdispersio teollisiin sovelluksiin

Suuritehoinen ultrasonication voi tehokkaasti ja luotettavasti hajottaa hiukkasten agglomeraatteja ja jopa hajottaa primaarisia hiukkasia. Korkean suorituskyvyn dispersiokykynsä vuoksi koetintyyppisiä ultraäänilaitteita käytetään edullisena menetelmänä homogeenisten nanohiukkassuspensioiden luomiseksi.

Luotettava nanohiukkasdispersio ultraäänellä

Monet teollisuudenalat vaativat suspensioiden valmistusta, jotka ovat kuormitettuja nanohiukkasia. Nanohiukkaset ovat kiinteitä aineita, joiden hiukkaskoko on alle 100 nm. Pienen hiukkaskoon vuoksi nanohiukkaset ilmaisevat ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten poikkeuksellista lujuutta, kovuutta, optisia ominaisuuksia, sitkeyttä, UV-kestävyyttä, johtavuutta, sähköisiä ja sähkömagneettisia (EM) ominaisuuksia, korroosionestoa, naarmuuntumiskestävyyttä ja muita poikkeuksellisia ominaisuuksia.
Korkean intensiteetin, matalataajuinen ultraääni luo voimakkaan akustisen kavitaation, jolle on ominaista äärimmäiset olosuhteet, kuten leikkausvoimat, erittäin korkeat paine- ja lämpötilaerot sekä turbulenssit. Nämä kavitaatiovoimat kiihdyttävät hiukkasia aiheuttaen hiukkasten välisiä törmäyksiä ja siten hiukkasten särkymistä. Näin saadaan nanorakenteisia materiaaleja, joilla on kapea hiukkaskokokäyrä ja tasainen jakautuminen.
Ultraäänidispergointilaitteet soveltuvat kaikenlaisten nanomateriaalien käsittelyyn vedessä ja orgaanisissa liuottimissa, joiden viskositeetti on alhainen tai erittäin korkea.

Hiilinanoputkien ultraäänidispersio

Ultrasonic dispersers are widely used for the purpose of dispersing carbon nanotubes (CNTs). Sonication is a reliable method to detangle and disperse single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as well as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). For instance, in order to produce a highly conductive thermoplastic polymer, high-purity (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; external diameter 9.5 nm; purity 95 +%) have been ultrasonically dispersed with the Hielscher UP200S for 30min. at room temperature. The ultrasonically dispersed Nanocyl® 3100 MWCNTs at a concentration of 1% w/w in the epoxy resin showed superior conductivity of approx. 1.5 × 10-2 S /m.

Nikkelinanohiukkasten ultraäänidispersio

Nikkelinanohiukkasia voidaan tuottaa menestyksekkäästi ultraäänellä assitoidun hydratsiinin pelkistyssynteesin avulla. Hydratsiinin pelkistyssynteesireitin avulla tp voi valmistaa puhdasta metallista nikkelinanohiukkasta, jolla on pallomainen muoto pelkistämällä kemiallisesti nikkelikloridia hydratsiinilla. Adámin tutkimusryhmä osoitti, että ultrasonication – Käyttämällä Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – pystyi säilyttämään keskimääräisen primaarisen kiteisen koon (7–8 nm) käytetystä lämpötilasta riippumatta, kun taas intensiivisten ja lyhyempien sonikaatiojaksojen käyttö voisi vähentää sekundaaristen aggregoitujen hiukkasten solvodynaamisia halkaisijoita 710 nm: stä 190 nm: iin ilman pinta-aktiivista ainetta. Suurin happamuus ja katalyyttinen aktiivisuus mitattiin nanopartikkeleille, jotka valmistettiin lievällä (30 W: n lähtöteho) ja jatkuvalla ultraäänikäsittelyllä. Nanohiukkasten katalyyttistä käyttäytymistä testattiin Suzuki-Miyaura-ristikytkentäreaktiossa viidellä näytteellä, jotka oli valmistettu sekä tavanomaisella että ultraäänitavalla. Ultraäänellä valmistetut katalyytit toimivat yleensä paremmin, ja korkein katalyyttinen aktiivisuus mitattiin pienitehoisessa (30 W) jatkuvassa sonikaatiossa valmistettujen nanohiukkasten yli.
Ultraäänikäsittelyllä oli ratkaisevia vaikutuksia nanohiukkasten aggregaatiotaipumukseen: tuhoutuneiden kavitaatiohuokosten eheytysvaikutus voimakkaalla massansiirrolla voisi voittaa tuhoutuneiden kavitaatioaukkojen houkuttelevan sähköstaattisen voimakkaan massansiirron voisi voittaa houkuttelevat sähköstaattiset ja van der Waalsin voimat hiukkasten välillä.
(vrt. Adám ym. 2020)

Wollastoniittinanohiukkasten ultraäänisynteesi

Wollastoniitti on kalsiuminosilikaattimineraali, jonka kemiallinen kaava on CaSiO3 Wollastoniittia käytetään laajalti komponenttina sementin, lasin, tiilen ja laattojen valmistuksessa rakennusteollisuudessa, virtauksena teräksen valussa sekä lisäaineena pinnoitteiden ja maalien valmistuksessa. Esimerkiksi wollastoniitti tarjoaa vahvistusta, kovettumista, vähäistä öljyn imeytymistä ja muita parannuksia. Wollastoniitin erinomaisten vahvistusominaisuuksien saavuttamiseksi nanomittakaavan deagglomeraatio ja tasainen dispersio ovat välttämättömiä.
Dordane ja Doroodmand (2021) osoittivat tutkimuksissaan, että ultraäänidispersio on erittäin tärkeä tekijä, joka inflaendoi wollastoniittinanohiukkasten kokoa ja morfologiaa merkittävästi. Arvioidakseen sonikaatioiden vaikutusta wollastoniitin nanodispersioon tutkimusryhmä syntetisoi wollastoniittinanohiukkasia suuritehoisten ultraäänien kanssa ja ilman. Sonikaatiokokeissaan tutkijat käyttivät ultraääniprosessori UP200H (Hielscher Ultrasonics) taajuudella 24 kHz 45,0 min. Ultraääninanodispersion tulokset on esitetty alla olevassa korkean resoluution SEM: ssä. SEM-kuva osoittaa selvästi, että wollastoniittinäyte ennen ultraäänikäsittelyä on agglomeroitu ja aggregoitu; UP200H-ultraäänilaitteen sonikoinnin jälkeen wollastoniittihiukkasten keskikoko on noin 10 nm. Tutkimus osoittaa, että ultraäänidispersio on luotettava ja tehokas tekniikka wollastoniittinanohiukkasten syntetisoimiseksi. Keskimääräistä nanohiukkaskokoa voidaan hallita säätämällä ultraäänikäsittelyparametreja.
(vrt. Dordane ja Doroodmand, 2021)

SEM-kuvat wollastoniittinanohiukkasista (A) ennen ja (B) ultrasonicationin jälkeen käyttämällä Ultraääniprosessori UP200H 45,0 min.
Tutkimus ja kuva: ©Dordane ja Doroodmand, 2021.

Ultraääni nanotäyteaineen dispersio

Sonikaatio on monipuolinen menetelmä nanotäyteaineiden hajottamiseksi ja deagglomeroimiseksi nesteissä ja lietteissä, esim. polymeereissä, epoksihartseissa, koveteissa, kestomuoveissa jne. Siksi sonifikaatiota käytetään laajalti erittäin tehokkaana dispersiomenetelmänä R: ssä&D ja teollinen tuotanto.
(2021) tutki epoksihartsin nanotäyteaineiden ultraäänidispersiotekniikkaa. Hän pystyi osoittamaan, että sonikaatio pystyi hajottamaan pieniä ja suuria nanotäyteaineiden pitoisuuksia polymeerimatriisiin.
Vertaamalla erilaisia formulaatioita 0,5 paino-% hapettunut CNT osoitti parhaat tulokset kaikista sonikoiduista näytteistä, paljastaen useimpien agglomeraattien kokojakaumat vertailukelpoisella alueella kolmeen rullamyllyn tuottamaan näytteeseen, hyvän sitoutumisen kovettimeen, perkolaatioverkon muodostumisen dispersion sisällä, mikä osoittaa kohti stabiilisuutta sedimentaatiota vastaan ja siten asianmukaista pitkäaikaista stabiilisuutta. Suuremmat täyteainemäärät osoittivat samanlaisia hyviä tuloksia, mutta myös selvempien sisäisten verkkojen muodostumista sekä hieman suurempia agglomeraatteja. Jopa hiilinanokuidut (CNF) voitaisiin dispergoida onnistuneesti sonikoinnin avulla. Nanotäyteaineiden suora dispersio Yhdysvalloissa kovetejärjestelmissä ilman lisäliuottimia saavutettiin onnistuneesti, joten sitä voidaan pitää soveltuvana menetelmänä yksinkertaiseen ja suoraviivaiseen dispersioon, jolla on potentiaalia teolliseen käyttöön. (vrt. Zanghellini et al., 2021)
 

Kovetteeseen dispergoitujen eri nanotäyteaineiden vertailu (ultrasonication - US): (a) 0,5 paino-% hiilinanokuitua (CNF); b) 0,5 paino-% CNToxia; c) 0,5 paino-% hiilinanoputkea (CNT); d) 0,5 paino-% puolidispergoitua CNT:tä.
(Tutkimus ja kuva: © Zanghellini et ai., 2021)

Nanohiukkasten ultraäänidispersio – Tieteellisesti todistettu paremmuudesta

Tutkimukset osoittavat lukuisissa hienostuneissa tutkimuksissa, että ultraäänidispersio on yksi ylivoimaisista tekniikoista nanohiukkasten deagglomeroimiseksi ja jakamiseksi jopa suurina pitoisuuksina nesteissä. Esimerkiksi Vikash (2020) tutki nanopiidioksidin suurten kuormien dispersiota viskoosissa nesteissä käyttämällä Hielscherin ultraäänidispergointilaitetta UP400S. Tutkimuksessaan hän päätyy siihen johtopäätökseen, että "nanohiukkasten vakaa ja tasainen dispersio voidaan saavuttaa käyttämällä ultra-sonikaatiolaitetta suurella kiinteällä kuormituksella viskooseissa nesteissä". [Vikash, 2020]

Korkean suorituskyvyn ultraääniprosessorit nanohiukkasten dispersioon

Hielscher Ultrasonics on luotettava toimittaja luotettaville korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteille laboratoriosta ja pilotista täysteollisiin järjestelmiin. Hielscherin ultraääni’ Laitteissa on hienostunut laitteisto, älykäs ohjelmisto ja erinomainen käyttäjäystävällisyys – suunniteltu ja valmistettu Saksassa. Hielscherin vankkoja ultraäänikoneita dispersioon, deagglomeraatioon, nanohiukkassynteesiin ja funktionalisointiin voidaan käyttää 24/7/365 täydellä kuormituksella. Prosessistasi ja tuotantolaitoksestasi riippuen ultraäänilaitteitamme voidaan käyttää erä- tai jatkuvassa in-line-tilassa. Erilaisia lisävarusteita, kuten sonotrodes (ultraäänianturit), tehostesarvet, virtauskennot ja reaktorit, on helposti saatavilla.
Ota yhteyttä nyt saadaksesi lisää teknistä tietoa, tieteellisiä tutkimuksia, protokollia ja tarjouksen ultraääninanodispersiojärjestelmistämme! Hyvin koulutettu, kokenut henkilökuntamme keskustelee mielellään nanosovelluksestasi kanssasi!

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: