Dispersion fiable des nanoparticules pour les applications industrielles

Les ultrasons à haute puissance peuvent briser de manière efficace et fiable les agglomérats de particules et même désintégrer les particules primaires. En raison de leurs performances élevées en matière de dispersion, les ultrasons de type sonde sont utilisés comme méthode privilégiée pour créer des suspensions homogènes de nanoparticules.

Dispersion fiable des nanoparticules par ultrasons

De nombreuses industries nécessitent la préparation de suspensions chargées en nanoparticules. Les nanoparticules sont des solides dont la taille des particules est inférieure à 100 nm. En raison de leur taille minuscule, les nanoparticules présentent des propriétés uniques telles qu'une résistance exceptionnelle, une dureté, des caractéristiques optiques, une ductilité, une résistance aux UV, une conductivité, des propriétés électriques et électromagnétiques (EM), une anticorrosivité, une résistance aux rayures et d'autres caractéristiques extraordinaires.
Les ultrasons de haute intensité et de basse fréquence créent une cavitation acoustique intense, qui se caractérise par des conditions extrêmes telles que des forces de cisaillement, des différentiels de pression et de température très élevés et des turbulences. Ces forces de cavitation accélèrent les particules, provoquant des collisions interparticulaires et, par conséquent, l'éclatement des particules. On obtient ainsi des matériaux nanostructurés dont la courbe granulométrique est étroite et la distribution uniforme.
Les équipements de dispersion par ultrasons conviennent au traitement de tout type de nanomatériaux dans l'eau et les solvants organiques, avec des viscosités faibles à très élevées.

Dispersion ultrasonique de nanotubes de carbone

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.

Dispersion ultrasonique de nanoparticules de nickel

Les nanoparticules de nickel peuvent être produites avec succès par la synthèse de réduction de l'hydrazine assistée par ultrasons. La synthèse par réduction de l'hydrazine permet de préparer des nanoparticules de nickel métallique pur de forme sphérique par réduction chimique du chlorure de nickel avec de l'hydrazine. Le groupe de recherche d'Adám a démontré que l'ultrasonication – en utilisant le Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – a pu maintenir une taille moyenne de cristallite primaire (7-8 nm) indépendamment de la température appliquée, tandis que l'utilisation de périodes de sonication intenses et plus courtes a pu réduire les diamètres solvodynamiques des particules secondaires agrégées de 710 nm à 190 nm en l'absence de tout agent tensioactif. L'acidité et l'activité catalytique les plus élevées ont été mesurées pour les nanoparticules préparées par un traitement ultrasonique doux (puissance de sortie de 30 W) et continu. Le comportement catalytique des nanoparticules a été testé dans une réaction de couplage croisé Suzuki-Miyaura sur cinq échantillons préparés de manière conventionnelle et par ultrasons. Les catalyseurs préparés par ultrasons sont généralement plus performants, et l'activité catalytique la plus élevée a été mesurée sur les nanoparticules préparées par sonication continue de faible puissance (30 W).
Le traitement aux ultrasons a eu des effets cruciaux sur la tendance à l'agrégation des nanoparticules : l'influence de défragmentation des vides de cavitation détruits avec le transfert de masse vigoureux a pu surmonter les forces électrostatiques attractives et les forces de van der Waals entre les particules.
(cf. Adám et al. 2020)

Synthèse ultrasonique de nanoparticules de wollastonite

La wollastonite est un minéral inosilicate de calcium dont la formule chimique est CaSiO3. La wollastonite est largement utilisée comme composant pour la production de ciment, de verre, de briques et de tuiles dans l'industrie de la construction, comme fondant dans la coulée de l'acier ainsi que comme additif dans la fabrication de revêtements et de peintures. Par exemple, la wollastonite apporte un renforcement, un durcissement, une faible absorption d'huile et d'autres améliorations. Pour obtenir d'excellentes propriétés de renforcement de la wollastonite, il est essentiel de procéder à une désagglomération à l'échelle nanométrique et à une dispersion uniforme.
Dordane et Doroodmand (2021) ont démontré dans leurs études que la dispersion ultrasonique est un facteur très important qui influe de façon significative sur la taille et la morphologie des nanoparticules de wollastonite. Pour évaluer la contribution de la sonication sur la nano-dispersion de la wollastonite, l'équipe de recherche a synthétisé des nanoparticules de wollastonite avec et sans l'application d'ultrasons de haute puissance. Pour leurs essais de sonication, les chercheurs ont utilisé le processeur à ultrasons UP200H (Hielscher Ultrasonics) avec une fréquence de 24 kHz pendant 45,0 minutes. Les résultats de la nano-dispersion ultrasonique sont illustrés dans l'image SEM haute résolution ci-dessous. L'image SEM montre clairement que l'échantillon de wollastonite avant le traitement ultrasonique est aggloméré et agrégé ; après la sonication avec l'ultrasonateur UP200H, la taille moyenne des particules de wollastonite est d'environ 10 nm. L'étude démontre que la dispersion ultrasonique est une technique fiable et efficace pour synthétiser des nanoparticules de wollastonite. La taille moyenne des nanoparticules peut être contrôlée en ajustant les paramètres de traitement par ultrasons.
(cf. Dordane et Doroodmand, 2021)

Images SEM des nanoparticules de wollastonite (A) avant et (B) après l'ultrasonication en utilisant la méthode du processeur à ultrasons UP200H pendant 45,0 minutes.
Étude et photo : ©Dordane et Doroodmand, 2021.

Dispersion ultrasonique de nanocharges

La sonification est une méthode polyvalente pour disperser et désagglomérer les nanocharges dans les liquides et les boues, par exemple les polymères, les résines époxy, les durcisseurs, les thermoplastiques, etc. Par conséquent, la sonification est largement utilisée comme méthode de dispersion très efficace en R&D et la production industrielle.
Zanghellini et al. (2021) ont étudié la technique de dispersion ultrasonique des nanocharges dans la résine époxy. Il a pu démontrer que la sonication permettait de disperser des concentrations faibles et élevées de nanocharges dans une matrice polymère.
En comparant les différentes formulations, les NTC oxydés à 0,5 % en poids ont donné les meilleurs résultats de tous les échantillons soniqués, révélant des distributions de taille de la plupart des agglomérats dans une gamme comparable à celle des échantillons produits par trois broyeurs à cylindres, une bonne liaison avec le durcisseur, la formation d'un réseau de percolation à l'intérieur de la dispersion, ce qui indique une stabilité contre la sédimentation et donc une bonne stabilité à long terme. Des quantités plus importantes de charges ont donné des résultats tout aussi bons, mais aussi la formation de réseaux internes plus prononcés ainsi que d'agglomérats un peu plus importants. Même les nanofibres de carbone (CNF) ont pu être dispersées avec succès par sonication. La dispersion directe par US des nanocharges dans les systèmes de durcisseurs sans solvants supplémentaires a été réalisée avec succès et peut donc être considérée comme une méthode applicable pour une dispersion simple et directe avec un potentiel d'utilisation industrielle. (cf. Zanghellini et al., 2021)

Comparaison de différentes nanocharges dispersées dans le durcisseur à l'aide d'une sonde à ultrasons :) (a) 0,5 % en poids de nanofibres de carbone (CNF) ; (b) 0,5 % en poids de CNToxid ; (c) 0,5 % en poids de nanotubes de carbone (CNT) ; (d) 0,5 % en poids de CNT semi-dispersés.
Étude et illustration : ©Zanghellini et al, 2021

Dispersion ultrasonique des nanoparticules – Une supériorité scientifiquement prouvée

La recherche montre dans de nombreuses études sophistiquées que la dispersion ultrasonique est l'une des techniques supérieures pour désagglomérer et distribuer les nanoparticules, même à haute concentration dans les liquides. Par exemple, Vikash (2020) a étudié la dispersion de charges élevées de nano-silice dans des liquides visqueux à l'aide du disperseur ultrasonique Hielscher UP400S. Dans son étude, il arrive à la conclusion que "la dispersion stable et uniforme des nanoparticules peut être réalisée à l'aide d'un appareil à ultrasons à une charge solide élevée dans des liquides visqueux." [Vikash, 2020]

Processeurs ultrasoniques à haute performance pour la dispersion des nanoparticules

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