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Dispersion ultrasonique de nanomatériaux (nanoparticules)

Les nanomatériaux font désormais partie intégrante de produits aussi divers que les matériaux à haute performance, les écrans solaires, les revêtements performants ou les composites plastiques. La cavitation ultrasonique est utilisée pour disperser des particules de taille nanométrique dans des liquides tels que l'eau, l'huile, les solvants ou les résines.

Dispersion ultrasonique des nanoparticules

Homogénéisateur ultrasonique UP200S utilisé pour la dispersion des nanoparticules

L'application de la Dispersion ultrasonique des nanoparticules a des effets multiples. Le plus évident est la dispersion de matériaux dans des liquides afin de briser les agglomérats de particules. Un autre procédé est l'application d'ultrasons au cours de l'opération de broyage. synthèse ou précipitation de particules. En général, cela permet d'obtenir des particules plus petites et une plus grande uniformité de taille. cavitation ultrasonique améliore également le transfert de matière à la surface des particules. Cet effet peut être utilisé pour améliorer la surface fonctionnalisation des matériaux ayant une surface spécifique élevée.

Disperser et réduire la taille des nanomatériaux

Poudre de dioxyde de titane Degussa avant et après le traitement par cavitation ultrasonique.Nanomatériaux, par exemple oxydes métalliques, nano-argiles ou Nanotubes de carbone ont tendance à s'agglomérer lorsqu'ils sont mélangés à un liquide. Des moyens efficaces de désagglomération et de Dispersion sont nécessaires pour surmonter les forces de liaison après avoir mouillé la poudre. La rupture par ultrasons des structures agglomérées dans des suspensions aqueuses et non aqueuses permet d'utiliser tout le potentiel des matériaux de taille nanométrique. Des études portant sur diverses dispersions d'agglomérats nanoparticulaires à teneur variable en matières solides ont démontré les avantages considérables des ultrasons par rapport à d'autres technologies, telles que les mélangeurs à rotor et stator (par exemple ultra turrax), les homogénéisateurs à piston ou les méthodes de broyage humide, par exemple les broyeurs à billes ou les broyeurs colloïdaux. Les systèmes ultrasoniques Hielscher peuvent fonctionner à des concentrations de solides assez élevées. Par exemple, pour Silice le taux de rupture s'est avéré être indépendant de l'indice de concentration solide jusqu'à 50 en poids. Les ultrasons peuvent être utilisés pour la dispersion de mélanges maîtres à forte concentration - en traitant des liquides à faible ou forte viscosité. Les ultrasons constituent donc une bonne solution de traitement pour les peintures et les revêtements à base de différents fluides, tels que l'eau, la résine ou l'huile.

La dispersion par ultrasons est une méthode bien établie pour préparer des nanoparticules uniformément réparties.

Homogénéisateur ultrasonique UP400St pour les nano-dispersions

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Cliquez ici pour en savoir plus sur la dispersion ultrasonique des nanotubes de carbone.

cavitation ultrasonique

Cavitation ultrasonique dans l'eau causée par une ultrasonication intenseLa dispersion et la désagglomération par ultrasons sont le résultat de la cavitation ultrasonique. Lors de l'exposition de liquides aux ultrasons, les ondes sonores qui se propagent dans le liquide entraînent une alternance de cycles de haute et de basse pression. Ce phénomène exerce une contrainte mécanique sur les forces d'attraction entre les particules individuelles. cavitation ultrasonique dans les liquides provoque des jets de liquide à grande vitesse, jusqu'à 1000km/h (environ 600mph). Ces jets pressent le liquide à haute pression entre les particules et les séparent les unes des autres. Les particules plus petites sont accélérées par les jets de liquide et entrent en collision à grande vitesse. Les ultrasons sont donc un moyen efficace pour disperser mais aussi pour séparer les particules. fraisage de particules de taille micrométrique et submicrométrique.

Synthèse / précipitation de particules assistée par ultrasons

Réacteur sono-chimique optimisé (Banert et al., 2006)Les nanoparticules peuvent être générées de bas en haut par synthèse ou précipitation. La sonochimie est l'une des premières techniques utilisées pour préparer des composés de taille nanométrique. Dans son travail original, Suslick a soni du Fe(CO)5 soit sous forme de liquide pur, soit dans une solution de désaclin et ont obtenu des nanoparticules de fer amorphes d'une taille de 10 à 20 nm. En général, un mélange sursaturé commence à former des particules solides à partir d'un matériau très concentré. Les ultrasons améliorent le mélange des précurseurs et augmentent le transfert de masse à la surface des particules. Cela permet d'obtenir des particules de plus petite taille et une plus grande uniformité.

Les disperseurs ultrasoniques sont utilisés pour démêler efficacement les nanotubes monoparois (SWNT).

UIP2000hdTun puissant ultrasonateur de 2 kW pour disperser les SWCNT.

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Cliquez ici pour en savoir plus sur la précipitation de nanomatériaux assistée par ultrasons.

Fonctionnalisation des surfaces à l'aide d'ultrasons

De nombreux nanomatériaux, comme les oxydes métalliques, encre à jet d'encre et des pigments de toner, ou des charges pour la performance revêtementsnécessitent une fonctionnalisation de la surface. Afin de fonctionnaliser la totalité de la surface de chaque particule, une bonne méthode de dispersion est nécessaire. Lorsqu'elles sont dispersées, les particules sont généralement entourées d'une couche limite de molécules attirées par la surface de la particule. Pour que de nouveaux groupes fonctionnels atteignent la surface des particules, cette couche limite doit être brisée ou enlevée. Les jets de liquide résultant de la cavitation ultrasonique peuvent atteindre des vitesses allant jusqu'à 1 000 km/heure. Cette contrainte permet de surmonter les forces d'attraction et d'amener les molécules fonctionnelles à la surface de la particule. En sonochimieCet effet est utilisé pour améliorer les performances des catalyseurs dispersés.

Ultrasonication avant la mesure de la taille des particules

Pompage, agitation et sonication avec l'appareil à ultrasons tout-en-un SonoStep (Cliquez pour agrandir !)

L'ultrasonisation des échantillons améliore la précision des mesures de la taille des particules ou de la morphologie. Le nouveau SonoStep combine les ultrasons, l'agitation et le pompage des échantillons dans un design compact. Il est facile à utiliser et peut servir à acheminer des échantillons sonifiés vers des appareils d'analyse, tels que des granulomètres. La sonication intense aide à disperser les particules agglomérées, ce qui permet d'obtenir des résultats plus cohérents.Cliquez ici pour en savoir plus !

Traitement par ultrasons à l'échelle du laboratoire et de la production

Des processeurs à ultrasons et des cellules d'écoulement pour la désagglomération et la dispersion sont disponibles pour Laboratoire et Production niveau. Les systèmes industriels peuvent être facilement adaptés pour fonctionner en ligne. Pour la recherche et le développement de processus, nous recommandons d'utiliser le système UIP1000hd (1 000 watts).

Hielscher propose une large gamme d'appareils et d'accessoires à ultrasons pour la dispersion efficace des nanomatériaux, par exemple dans les peintures, les encres et les revêtements.

Des équipements de table peuvent être loués à de bonnes conditions pour effectuer des essais de processus. Les résultats de ces essais peuvent être mis à l'échelle de la production, ce qui réduit les risques et les coûts liés au développement du processus. Nous serons heureux de vous aider en ligne, par téléphone ou personnellement. Veuillez trouver nos adresses iciou utilisez le formulaire ci-dessous.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :

Volume du lot Débit Dispositifs recommandés
1 à 500mL 10 à 200mL/min UP100H
10 à 2000mL 20 à 400mL/min UP200Ht, UP400St
0.1 à 20L 0.2 à 4L/min UIP2000hdT
10 à 100L 2 à 10L/min UIP4000hdT
n.d. 10 à 100L/min UIP16000
n.d. plus grande groupe de UIP16000

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Nanomatériaux – Informations générales

Les nanomatériaux sont des matériaux dont la taille est inférieure à 100 nm. Ils progressent rapidement dans la formulation des peintures, des encres et des revêtements. Les nanomatériaux se répartissent en trois grandes catégories : les oxydes métalliques, les argiles nanométriques et les matériaux de revêtement. Nanotubes de carbone. Les nanoparticules d'oxyde métallique comprennent l'oxyde de zinc, l'oxyde de titane, l'oxyde de fer, l'oxyde de cérium et l'oxyde de zirconium à l'échelle nanométrique, ainsi que des composés métalliques mixtes tels que l'oxyde d'indium-étain, le zirconium et le titane, ainsi que des composés métalliques mixtes tels que l'oxyde d'indium-étain. Cette petite question a un impact sur de nombreuses disciplines, telles que la physique, Chimie et la biologie. Dans les peintures et les revêtements, les nanomatériaux répondent à des besoins décoratifs (couleur et brillance, par exemple), à des objectifs fonctionnels (conductivité, inactivation microbienne, par exemple) et améliorent la protection (résistance aux rayures, stabilité aux UV, par exemple) des peintures et des revêtements. En particulier, les oxydes métalliques de taille nanométrique, tels que TiO2 et ZnO ou Alumina, Ceria et Silice et les pigments de taille nanométrique trouvent une application dans les nouvelles formulations de peintures et de revêtements.

Lorsque la matière est réduite en taille, elle change ses caractéristiques, telles que la couleur et l'interaction avec d'autres matières, comme la réactivité chimique. La modification des caractéristiques est causée par le changement des propriétés électroniques. Par la réduction de taille de particulesla surface du matériau est augmentée. De ce fait, un pourcentage plus élevé d'atomes peut interagir avec d'autres matières, par exemple avec la matrice des résines.

L'activité de surface est un aspect clé des nanomatériaux. L'agglomération et l'agrégation empêchent la surface d'entrer en contact avec d'autres matières. Seules les particules bien dispersées ou à dispersion unique permettent d'utiliser tout le potentiel bénéfique de la matière. En conséquence, une bonne dispersion réduit la quantité de nanomatériaux nécessaire pour obtenir les mêmes effets. La plupart des nanomatériaux étant encore relativement coûteux, cet aspect revêt une grande importance pour la commercialisation des formulations de produits contenant des nanomatériaux. Aujourd'hui, de nombreux nanomatériaux sont produits par voie sèche. Par conséquent, les particules doivent être mélangées à des formulations liquides. C'est là que la plupart des nanoparticules forment des agglomérats lors du mouillage. En particulier Nanotubes de carbone sont très cohésives, ce qui rend difficile leur dispersion dans des liquides tels que l'eau, l'éthanol, l'huile, les polymères ou les résines époxy. Les dispositifs de traitement conventionnels, par exemple les mélangeurs à cisaillement élevé ou à rotor-stator, les homogénéisateurs à haute pression ou les moulins à colloïdes et à disques, ne parviennent pas à séparer les nanoparticules en particules discrètes. En particulier pour les petites particules de quelques nanomètres à quelques microns, la cavitation ultrasonique est très efficace pour briser les agglomérats, les agrégats et même les particules primaires. Lorsque les ultrasons sont utilisés pour la fraisage Dans le cas de lots à forte concentration, les jets de liquide résultant de la cavitation ultrasonique font entrer les particules en collision les unes avec les autres à des vitesses pouvant atteindre 1 000 km/h. Cela brise les forces de van der Waals dans les agglomérats et même dans les particules primaires. Cela permet de briser les forces de van der Waals dans les agglomérats et même les particules primaires.

Les homogénéisateurs ultrasoniques à haut cisaillement sont utilisés dans les laboratoires, les paillasses, les installations pilotes et les procédés industriels.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance pour les applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.

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