Dispersion des nanomatériaux (nanoparticules) par ultrasons
Les nanomatériaux sont devenus un composant à part entière de produits aussi variés que les matériaux haute performance, les écrans solaires, les revêtements haute performance ou les composites plastiques. La cavitation ultrasonore est utilisée pour disperser des particules nanométriques dans des liquides tels que l’eau, l’huile, les solvants ou les résines.
Dispersion des nanoparticules par ultrasons
L’application de la dispersion des nanoparticules par ultrasons a de multiples effets. Le plus évident est la dispersion de matériaux dans des liquides afin de désagréger les agglomérats de particules. Un autre procédé consiste à appliquer des ultrasons lors de la synthèse ou de la précipitation de particules. Cela conduit généralement à des particules plus petites et à une plus grande uniformité de taille. La cavitation ultrasonore améliore également le transfert de matière à la surface des particules. Cet effet peut être utilisé pour améliorer la fonctionnalisation de surface des matériaux présentant une surface spécifique élevée.
Dispersion et réduction de la taille des nanomatériaux
Les nanomatériaux, par exemple les oxydes métalliques, les nanoargiles ou les 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 le mouillage de la poudre. La désagrégation par ultrasons des structures agglomérées dans les suspensions aqueuses et non aqueuses permet d’exploiter tout le potentiel des matériaux nanométriques. Des études portant sur différentes dispersions d’agglomérats nanoparticulaires à teneur variable en solides ont démontré l’avantage considérable des ultrasons par rapport à d’autres technologies, telles que les mélangeurs rotor-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 à ultrasons Hielscher peuvent fonctionner à des concentrations en solides assez élevées. Par exemple, pour la silice il a été constaté que la vitesse de fragmentation était indépendante de la concentration en solides jusqu’à 50% en masse. Les ultrasons peuvent être appliqués à la dispersion de mélanges maîtres fortement concentrés – en traitant des liquides de faible et de forte viscosité. Les ultrasons constituent ainsi une bonne solution de traitement pour les peintures et les revêtements à base de différents milieux, tels que l’eau, la résine ou l’huile.
Homogénéisateur à ultrasons UP400St pour les nanodispersions
Cavitation ultrasonore
La dispersion et la désagglomération par sonication résultent de la cavitation ultrasonore. Lorsque des liquides sont exposés aux ultrasons, les ondes sonores qui se propagent dans le liquide produisent une alternance de cycles de haute et de basse pression. Cela exerce une contrainte mécanique sur les forces d’attraction entre les particules individuelles. La cavitation ultrasonore dans les liquides provoque des jets de liquide à grande vitesse pouvant atteindre 1000km/hr (environ 600mph). Ces jets poussent 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 constituent ainsi un moyen efficace pour la dispersion, mais aussi pour le broyage de particules micrométriques et submicrométriques.
Synthèse / précipitation de particules assistée par ultrasons
Les nanoparticules peuvent être produites selon une approche ascendante par synthèse ou précipitation. La sonochimie est l’une des premières techniques utilisées pour préparer des composés nanométriques. Dans ses travaux initiaux, Suslick a soumis à la sonication du Fe(CO)5 soit sous forme de liquide pur, soit dans une solution de deaclin, et a obtenu des nanoparticules de fer amorphe de 10–20nm. En général, un mélange sursaturé commence à former des particules solides à partir d’un matériau fortement concentré. La sonication améliore le mélange des précurseurs et augmente le transfert de matière à la surface des particules. Cela conduit à des particules plus petites et à une plus grande uniformité.
UIP2000hdT, un puissant appareil à ultrasons de 2kW pour disperser les SWCNTs.
Fonctionnalisation de surface par ultrasons
De nombreux nanomatériaux, tels que les oxydes métalliques, les pigments pour encres pour impression à jet d’encre et toners, ou les charges pour les revêtements haute performance, nécessitent une fonctionnalisation de surface. Afin de fonctionnaliser toute la surface de chaque particule individuelle, une bonne méthode de dispersion est nécessaire. Lorsqu’elles sont dispersées, les particules sont généralement entourées d’une couche limite de molécules attirées par leur surface. Pour que de nouveaux groupes fonctionnels atteignent la surface des particules, cette couche limite doit être désagrégée ou éliminée. Les jets de liquide résultant de la cavitation ultrasonore peuvent atteindre des vitesses de 1000km/hr. Cette contrainte aide à surmonter les forces d’attraction et transporte les molécules fonctionnelles jusqu’à la surface des particules. En sonochimie, cet effet est utilisé pour améliorer les performances des catalyseurs dispersés.
Sonication avant la mesure de la taille des particules
La sonication des échantillons améliore la précision de vos mesures de taille ou de morphologie des particules. Le nouveau SonoStep combine les ultrasons, l’agitation et le pompage des échantillons dans une conception compacte. Il est facile à utiliser et peut servir à acheminer les échantillons soniqués vers des appareils d’analyse, tels que les analyseurs de taille des particules. La sonication intense contribue 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 à circulation pour la désagglomération et la dispersion sont disponibles à l’échelle du laboratoire et de la production . Les systèmes industriels peuvent facilement être adaptés pour fonctionner en ligne. Pour la recherche et le développement de procédés, nous recommandons l’utilisation du UIP1000hd (1 000 watts).
Hielscher propose une large gamme d’appareils à ultrasons et d’accessoires pour la dispersion efficace de nanomatériaux, par exemple dans les peintures, les encres et les revêtements.
- Appareils de laboratoire compacts d’une puissance allant jusqu’à 400 watts.
Ces appareils sont principalement utilisés pour la préparation d’échantillons ou les études initiales de faisabilité et sont disponibles à la location. - 500 et 1 000 et 2 000 watts : les processeurs à ultrasons tels que l’ ensemble UIP1000hd avec cellule à circulation et divers amplificateurs d’amplitude et sonotrodes peuvent traiter des flux de plus grand volume.
Les appareils de ce type sont utilisés pour optimiser les paramètres (tels que l’amplitude, la pression de fonctionnement, le débit, etc.) à l’échelle de la paillasse ou d’une installation pilote. - Les processeurs à ultrasons de 2kW, 4kW, 10kW et 16kW ainsi que les ensembles plus importants regroupant plusieurs de ces unités peuvent traiter des flux de production à pratiquement toutes les échelles.
Des équipements de paillasse sont disponibles à la location à des conditions avantageuses pour réaliser des essais de procédés. Les résultats de ces essais peuvent être transposés de manière linéaire à l’échelle de la production – ce qui réduit les risques et les coûts liés au développement des procédés. Nous serons heureux de vous aider en ligne, par téléphone ou en personne. Vous trouverez nos adresses ici, ou vous pouvez utiliser le formulaire ci-dessous.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :
| Volume par lot | Débit | Appareils 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 |
| s.o. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| s.o. | supérieur | ensemble de UIP16000 |
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Nanomatériaux – Informations générales
Les nanomatériaux sont des matériaux dont la taille est inférieure à 100nm. Ils prennent rapidement une place croissante dans les formulations de peintures, d’encres et de revêtements. Les nanomatériaux se répartissent en trois grandes catégories : les oxydes métalliques, les nanoargiles et les nanotubes de carbone. Les nanoparticules d’oxydes métalliques 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 à métaux mixtes tels que l’oxyde d’indium-étain et le zirconium et le titane, ainsi que des composés à métaux mixtes tels que l’oxyde d’indium-étain. Cette matière de petite taille a un impact sur de nombreuses disciplines, telles que la physique, la chimie et la biologie. Dans les peintures et les revêtements, les nanomatériaux répondent à des besoins décoratifs (par exemple la couleur et la brillance), remplissent des fonctions spécifiques (par exemple la conductivité et l’inactivation microbienne) et améliorent la protection (par exemple la résistance aux rayures et la stabilité aux UV) des peintures et des revêtements. En particulier, les oxydes métalliques nanométriques, tels que TiO2 et ZnO ou l’alumine, l’oxyde de cérium et la silice ainsi que les pigments nanométriques trouvent des applications dans de nouvelles formulations de peintures et de revêtements.
Lorsque la matière est réduite en taille, ses caractéristiques changent, notamment sa couleur et ses interactions avec d’autres matières, telles que sa réactivité chimique. Ces changements de caractéristiques sont dus à la modification des propriétés électroniques. Grâce à la réduction de la taille des particules, la surface du matériau augmente. Ainsi, une proportion plus élevée d’atomes peut interagir avec d’autres matières, par exemple avec la matrice des résines.
L’activité de surface est un aspect essentiel des nanomatériaux. L’agglomération et l’agrégation empêchent une partie de la surface d’entrer en contact avec d’autres matières. Seules des particules bien dispersées ou dispersées individuellement permettent d’exploiter tout le potentiel bénéfique de la matière. Une bonne dispersion réduit donc la quantité de nanomatériaux nécessaire pour obtenir les mêmes effets. Comme la plupart des nanomatériaux restent assez coûteux, cet aspect est très important pour la commercialisation de formulations de produits contenant des nanomatériaux. Aujourd’hui, de nombreux nanomatériaux sont produits par un procédé à sec. Les particules doivent donc être mélangées à des formulations liquides. C’est à cette étape que la plupart des nanoparticules forment des agglomérats pendant le mouillage. En particulier, les nanotubes de carbone présentent une très forte cohésion, ce qui rend difficile leur dispersion dans des liquides tels que l’eau, l’éthanol, l’huile, un polymère ou une résine époxy. Les appareils de traitement conventionnels, par exemple les mélangeurs à fort cisaillement ou rotor-stator, les homogénéisateurs à haute pression ou les broyeurs colloïdaux et à disques, ne parviennent pas à séparer les nanoparticules en particules individuelles. En particulier pour les matières de petite taille, de plusieurs nanomètres à quelques micromètres, la cavitation ultrasonore est très efficace pour désagréger les agglomérats, les agrégats et même les particules primaires. Lorsque les ultrasons sont utilisés pour le broyage de lots fortement concentrés, les jets de liquide résultant de la cavitation ultrasonore font entrer les particules en collision les unes avec les autres à des vitesses pouvant atteindre 1000km/h. Cela rompt les forces de van der Waals dans les agglomérats et même dans les particules primaires.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance pour les applications de mélange, de dispersion, d’émulsification et d’extraction à l’échelle du laboratoire, pilote et industrielle.