Hielscher – Technologie Ultrasons

Synthèse des Nanodiamonds par Ultrasons

  • En raison de sa force intense cavitation, les ultrasons de puissance est une technique prometteuse pour produire des diamants micrométriques et nanométriques de graphite.
  • diamants micro- et nano-cristallins peuvent être synthétisés sonication d'une suspension de graphite dans un liquide organique à pression atmosphérique et température ambiante.
  • Ultrasons est également un outil utile pour le post-traitement des diamants nano synthétisés, comme ultrasonication disperse, désagglomère et fonctionnalise nano particules très efficace.

Ultrasons pour nanodiamants traitement

Nanodiamonds (également appelés diamants de détonation (MDN) ou des diamants ultradispersed (UDD)) constituent une forme spéciale de nanomatériaux de carbone qui se distingue par les caractéristiques uniques - telles que sa treillis structure, sa grande émerger, Ainsi que unique optique et magnétique propriétés - et applications exceptionnelles. Les propriétés des particules ultradispersed font ces matériaux composés innovants pour la création de nouveaux matériaux avec des fonctions extraordinaires. La taille des particules de diamant dans la suie est d'environ 5 nm.

Synthèse des Nanodiamonds par Ultrasons

Sous forces intenses, telles que la sonication ou la détonation, le graphite peut être transformé en diamant.

Nanodiamants ultra-sons Synthétisé

La synthèse de diamants est un champ de recherche important en ce qui concerne les intérêts scientifiques et commerciaux. Le procédé couramment utilisé pour la synthèse de micro-cristalline et des particules de diamant nano-cristallins est la technique à haute pression haute température (HPHT). Par cette méthode, la pression de processus nécessaire de dizaines de milliers d'atmosphères et des températures de plus de 2000K sont générés pour la partie principale de l'approvisionnement mondial du diamant industriel. Pour la transformation du graphite en diamant, en général des hautes pressions et températures élevées sont nécessaires, et les catalyseurs sont utilisés pour augmenter le rendement du diamant.
Ces exigences nécessaires à la transformation peuvent être générés de façon très efficace par l'utilisation de Haute puissance par ultrasons (= Fréquence basse, haute ultrasons d'intensité):

cavitation à ultrasons

L'échographie dans les liquides provoque localement des effets très extrêmes. Lors de la sonication de liquides à des intensités élevées, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide entraînent alternativement des cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), avec des vitesses dépendant de la fréquence. Pendant le cycle à basse pression, les ondes ultrasoniques à haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume auquel elles ne peuvent plus absorber d'énergie, elles s'effondrent violemment lors d'un cycle à haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Au cours de l'implosion des températures très élevées (environ. 5,000 K) et les pressions (environ. 2,000atm) sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation se traduit également par des jets de liquide allant jusqu'à 280 m / s vitesse. (Suslick 1998) Il est évident que les micro- et nano-cristallin diamants peuvent être synthétisés dans le domaine des ultrasons cavitation.

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Procédure à ultrasons pour la synthèse de nanodiamants

De fait, l'étude de Khachatryan et al. (2008) montre que des microcristaux de diamant peuvent également être synthétisés par l'ultrasonication d'une suspension de graphite dans un liquide organique à pression atmosphérique et température ambiante. Comme liquide de cavitation, une formule d'oligomères aromatiques a été choisi en raison de sa faible pression de vapeur saturée et la température d'ébullition élevé. Dans ce liquide, la poudre de graphite pur spéciale – avec des particules dans la plage comprise entre 100-200 um - a été suspendu. . Dans les expériences de Kachatryan et al, le rapport pondéral solide-liquide est de 1: 6, la densité du liquide de cavitation était de 1,1 g cm-3 à 25 ° C. L'intensité maximale à ultrasons dans le sonoreactor a été 75-80W cm-2 correspondant à une amplitude de pression acoustique de 15 à 16 bar.
Il a été réalisé environ 10% de conversion du graphite à diamant. Les diamants étaient presque mono-dispersée avec une très forte, la taille bien conçu dans la gamme de 6 ± 0,5 pm ou 9μm, avec cubique, cristalline morphologie et haute pureté.

diamants synthétisés par ultrasons (images SEM): High ultrasons de puissance fournit l'énergie nécessaire pour induire la nanodiamonds' synthèse

images SEM des diamants synthétisés: images ultra-sons (a) et (b) montrent la série d'échantillons 1, (c) et (d) la série d'échantillons 2. [Khachatryan et al. 2008]

Le frais des micro et nanodiamonds produits par ce procédé est estimé à compétitif avec le procédé à haute pression haute température (HPHT). Cela rend ultrasons une alternative innovante pour la synthèse de micro- et nanodiamonds (Khachatryan et al., 2008), en particulier que le processus de production de nanodiamonds peut être optimisée par d'autres investigations. De nombreux paramètres tels amplitude, pression, température, liquide de cavitation, et la concentration doivent être examinées avec précision pour découvrir la tache douce de la synthèse de nanodiamants à ultrasons.
Par les résultats obtenus dans la synthèse nanodiamonds, en outre généré par ultrasons cavitation offre le potentiel pour la synthèse d'autres composés importants, tels que le nitrure de bore cubique, le nitrure de carbone, etc. (Khachatryan et al. 2008)
En outre, il semble possible de créer des nanofils de diamant et nanofils de nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) sous irradiation par ultrasons. nanofils de diamant sont analogues unidimensionnels de diamant en vrac. En raison de son module d'élasticité élevé, le rapport résistance-poids, et la facilité relative avec laquelle peuvent être fonctionnalisés, le diamant a été trouvé ses surfaces comme le matériau optimal pour des conceptions de nanomécaniques. (Sun et al., 2004)

Ultrasons de nanodiamants Dispersant

Comme il a déjà décrit, la désagglomération et la distribution de taille même particule dans le milieu sont essentiels pour l'exploitation réussie des caractéristiques uniques de nanodiamants.
dispersion et désagglomération par ultrasons sont le résultat d'ultrasons cavitation. Lors de l'exposition aux ultrasons des liquides les ondes sonores qui se propagent dans le liquide en résultat alternatif à haute pression et des cycles de basse pression. Cela applique une contrainte mécanique sur les forces d'attraction entre les particules individuelles. cavitation ultrasonique dans des liquides provoque des jets de liquide à grande vitesse allant jusqu'à 1000 km / h (env. 600 mph). De tels jets presse liquide à haute pression entre les particules et les séparer les uns des autres. Des particules plus petites sont accélérés par les jets de liquide et entrent en collision à des vitesses élevées. Cela rend ultrasons un moyen efficace pour la dispersion, mais aussi pour la fraisage de microns de taille et des particules de taille submicronique.
Par exemple, nanodiamonds (dimension moyenne d'environ 4 nm) et le polystyrène peuvent être dispersés dans le cyclohexane pour obtenir un composite spécial. Dans leur étude, Chipara et al. (2010) ont préparé des composites de polystyrène et nanodiamonds, contenant nanodiamonds dans une plage comprise entre 0 et 25% en poids. Pour obtenir une même dispersion, Ils soniquées la solution pendant 60 min avec Hielscher de UIP1000hd (1 kW).

Assistée par ultrasons fonctionnalisation de nanodiamants

Pour la fonctionnalisation de la surface totale de chaque particule de taille nanométrique, la surface de la particule doit être disponible pour une réaction chimique. Cela signifie une même et fine dispersion est nécessaire que les particules bien dispersées sont entourés par une couche limite de molécules attirés à la surface des particules. Pour obtenir de nouveaux groupes fonctionnels à la surface de nanodiamants, cette couche limite doit être brisée ou enlevée. Ce processus de rupture et l'enlèvement de la couche limite peut être effectuée par ultrasons.
L'échographie introduit dans le liquide génère divers effets extrêmes tels que cavitation, La température localement très élevée jusqu'à 2000K et jets de liquide allant jusqu'à 1000 km / h. (Suslick 1998) Facteurs par cette contrainte peut surmonter les forces d'attraction (par exemple des forces de Van-der-Waals) et les molécules fonctionnelles sont réalisées à la surface de la particule de fonctionnaliser, par exemple, la surface de nanodiamonds.

Under powerful ultrasonic irradiation (e.g. with Hielscher's UIP2000hdT) it becomes possible to synthesis, deagglomerate and functionalize nanodiamonds efficiently.

Schéma 1: graphique du in situ-désagglomération et fonctionnalisation de surface de nanodiamants (Liang 2011)

Les expériences avec le traitement Sonic Disintegration (BASD) assistée perles ont montré des résultats prometteurs pour l'funcionalization de surface de nanodiamonds aussi. De ce fait, des billes (par exemple des billes de céramique micro-entreprises telles que des billes de ZrO2) ont été utilisés pour appliquer la ultrasonique cavitationnel les forces sur les particules de nanodiamant. La désagglomération est due à la collision interparticulaire entre les particules de nanodiamant et le ZrO2 perles.
En raison de la meilleure disponibilité de la surface des particules, pour des réactions chimiques telles que la réduction Boran, arylation ou silanisation, un ultrasons ou BASD (désintégration sonique bourrelet assistée) de pré-traitement pour disperser but est fortement recommandée. par ultrasons Dispersion et désagglomération la réaction chimique peut se poursuivre beaucoup plus complètement.

Lorsque de forte puissance, les ultrasons à basse fréquence est introduit dans un milieu liquide, la cavitation est générée.

Résultats ultrasons de caviatation des écarts extrêmes de température et de pression et des jets de liquide à grande vitesse. De ce fait, les ultrasons de puissance est un procédé de traitement efficace pour le mélange et le broyage des applications.

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Littérature / Références

  • Chipara, A. C. et al .: propriétés thermiques des particules de nanodiamant dispersées dans du polystyrène. HESTEC 2010.
  • El-Say, K. M .: nanodiamants en tant que système de délivrance de médicament: Application et prospective. En J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; pp. 29-39.
  • Khachatryan, A. Kh. et al transformation de graphite à diamant induite par cavitation par ultrasons. Dans: Diamond & Matériaux connexes 17, 2008; pp931-936.
  • Krueger, A .: La structure et la réactivité du diamant à l'échelle nanométrique. Dans: J Mater Chem 18, 2008; pp. 1485-1492.
  • Liang, Y:. Désagglomération et la surface de nanodiamant au moyen de thermo-chimique et des procédés mécanochimique. Université Julius Maximilian Dissertation Würzburg 2011e
  • Osawa, E de monodispersées simples particules de nanodiamants. Dans: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
  • Pramatarova, L. et al .: L'avantage des composites polymères avec Détonation nanodiamants particules pour les applications médicales. Dans: Sur biomimétique; pp. 298-320.
  • Soleil, L .; Gong, J .; Zhu, D .; Zhu, Z .; Il, S .: diamant nanofils de Nanotubes de carbone. Dans: Advanced Materials 16/2004. pp. 1849-1853.
  • Suslick, de K.S Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4e éd. Wiley J. & Fils: New York; 26, 1998; pp. 517-541.

nanodiamants – Utilisation et applications

Les grains de nanodiamants sont instables en raison de leur potentiel zêta. De ce fait, ils ont tendance à former des agrégats très. Une application courante de nanodiamonds est l'utilisation de produits abrasifs, de découpe et de polissage des outils et des dissipateurs de chaleur. Une autre utilisation potentielle est l'application de nanodiamonds comme support de médicament pour des composants pharmaceutiques actifs (cf. Pramatarova). Par ultrasonication, D'une part nanodiamants peuvent être synthétisés à partir de graphite et d'autre part, les nanodiamants tendant fortement à l'agglomération peuvent être uniformément Dispersé dans un milieu liquide (par exemple pour formuler un agent de polissage).