פיזור אולטרסוני של חומרי ננו (ננו־חלקיקים)

חומרי ננו הפכו לרכיב בלתי נפרד במגוון רחב של מוצרים, כגון חומרים עתירי ביצועים, תכשירי הגנה מהשמש, ציפויים עתירי ביצועים או חומרים מרוכבים פלסטיים. קוויטציה אולטרסונית משמשת לפיזור חלקיקים בגודל ננומטרי בנוזלים, כגון מים, שמן, ממסים או שרפים.

פיזור אולטרסוני של ננו־חלקיקים

ליישום של פיזור אולטרסוני של ננו־חלקיקים יש השפעות רבות. הברורה ביותר היא פיזור חומרים בנוזלים לצורך פירוק אגלומרטים של חלקיקים. תהליך נוסף הוא שימוש באולטרסאונד במהלך סינתזה או שיקוע של חלקיקים. בדרך כלל, הדבר מוביל לחלקיקים קטנים יותר ולאחידות רבה יותר בגודלם. קוויטציה אולטרסונית משפרת גם את מעבר החומר על פני השטח של החלקיקים. ניתן לנצל השפעה זו לשיפור הפונקציונליזציה של פני השטח של חומרים בעלי שטח פנים סגולי גבוה.

פיזור והקטנת הגודל של חומרי ננו

חומרי ננו, כגון תחמוצות מתכת, ננו־חרסיות או ננו־צינוריות פחמן נוטים ליצור אגלומרטים כאשר מערבבים אותם בנוזל. נדרשים אמצעים יעילים לפירוק אגלומרטים וכן לפיזור כדי להתגבר על כוחות הקישור לאחר הרטבת האבקה. הפירוק האולטרסוני של מבני האגלומרטים בתרחיפים מימיים ולא־מימיים מאפשר לנצל את מלוא הפוטנציאל של חומרים בגודל ננומטרי. מחקרים במגוון דיספרסיות של אגלומרטים של ננו־חלקיקים, בעלי תכולת מוצקים משתנה, הדגימו את היתרון הניכר של אולטרסאונד בהשוואה לטכנולוגיות אחרות, כגון מערבלי רוטור־סטטור (למשל ultra turrax), הומוגנייזרים בוכנתיים או שיטות טחינה רטובה, כגון טחנות חרוזים או טחנות קולואידיות. ניתן להפעיל את המערכות האולטרסוניות של Hielscher בריכוזי מוצקים גבוהים למדי. לדוגמה, עבור סיליקה נמצא שקצב השבירה אינו תלוי בריכוז עבור ריכוז מוצקים של עד 50% במשקל. ניתן להשתמש באולטרסאונד לפיזור תרכיזי בסיס בריכוז גבוה – תוך עיבוד נוזלים בעלי צמיגות נמוכה וגבוהה. הדבר הופך את האולטרסאונד לפתרון עיבוד טוב לצבעים ולציפויים המבוססים על תווכים שונים, כגון מים, שרף או שמן.

קוויטציה אולטרסונית

פיזור ופירוק אגלומרטים באמצעות סוניקציה הם תוצאה של קוויטציה אולטרסונית. כאשר חושפים נוזלים לאולטרסאונד, גלי הקול המתפשטים בנוזל יוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה ולחץ נמוך. הדבר מפעיל מאמץ מכני כנגד כוחות המשיכה בין החלקיקים הבודדים. קוויטציה אולטרסונית בנוזלים יוצרת סילוני נוזל במהירויות גבוהות של עד 1000km/hr (כ־600mph). סילונים אלה דוחקים נוזל בלחץ גבוה בין החלקיקים ומפרידים אותם זה מזה. חלקיקים קטנים יותר מואצים עם סילוני הנוזל ומתנגשים במהירויות גבוהות. הדבר הופך את האולטרסאונד לאמצעי יעיל לפיזור וגם לטחינה של חלקיקים בגודל מיקרוני ותת־מיקרוני.

סינתזה / שיקוע של חלקיקים בסיוע אולטרסאונד

ניתן לייצר ננו־חלקיקים בגישת בנייה מלמטה למעלה באמצעות סינתזה או שיקוע. סונוכימיה היא אחת הטכניקות המוקדמות ביותר ששימשו להכנת תרכובות בגודל ננומטרי. Suslick, בעבודתו המקורית, ביצע סוניקציה של Fe(CO)₅ כנוזל טהור או בתמיסת deaclin, וקיבל ננו־חלקיקי ברזל אמורפיים בגודל 10–20nm. בדרך כלל, בתערובת רוויית־יתר מתחילים להיווצר חלקיקים מוצקים מתוך חומר בריכוז גבוה מאוד. סוניקציה משפרת את ערבוב חומרי המוצא ומגבירה את מעבר המסה על פני השטח של החלקיקים. הדבר מוביל לגודל חלקיקים קטן יותר ולאחידות גבוהה יותר.

פונקציונליזציה של פני השטח באמצעות אולטרסאונד

חומרי ננו רבים, כגון תחמוצות מתכת, דיו להזרקת דיו ופיגמנטים לטונר, או חומרי מילוי עבור ציפויים עתירי ביצועים, דורשים פונקציונליזציה של פני השטח. כדי לבצע פונקציונליזציה של מלוא פני השטח של כל חלקיק בנפרד, נדרשת שיטת פיזור טובה. במצב מפוזר, החלקיקים מוקפים בדרך כלל בשכבת גבול של מולקולות הנמשכות אל פני החלקיק. כדי שקבוצות פונקציונליות חדשות יגיעו אל פני החלקיק, יש לפרק או להסיר שכבת גבול זו. סילוני הנוזל הנוצרים מקוויטציה אולטרסונית יכולים להגיע למהירויות של עד 1000km/hr. מאמץ זה מסייע להתגבר על כוחות המשיכה ומוביל את המולקולות הפונקציונליות אל פני החלקיק. במסגרת סונוכימיה, השפעה זו משמשת לשיפור הביצועים של זרזים מפוזרים.

סוניקציה לפני מדידת גודל חלקיקים

סוניקציה של דגימות משפרת את הדיוק של מדידת גודל החלקיקים או המורפולוגיה שלהם. SonoStep החדש משלב אולטרסאונד, ערבול ושאיבת דגימות במבנה קומפקטי. הוא קל לתפעול וניתן להשתמש בו להעברת דגימות שעברו סוניקציה למכשירי אנליזה, כגון מכשירים לניתוח גודל חלקיקים. הסוניקציה האינטנסיבית מסייעת לפזר חלקיקים שהתאגדו לצברים, וכך מתקבלות תוצאות עקביות יותר.לחצו כאן לקריאה נוספת!

עיבוד אולטרסוני בקנה מידה מעבדתי וייצורי

מעבדים אולטרסוניים ותאי זרימה לפירוק צברים ולפיזור זמינים בקנה מידה של מעבדה ושל ייצור . ניתן להתאים בקלות את המערכות התעשייתיות לעבודה בתוך קו התהליך. לצורכי מחקר ופיתוח תהליכים אנו ממליצים להשתמש במכשיר UIP1000hd (1,000 ואט).

Hielscher מציעה מגוון רחב של מכשירים אולטרסוניים ואביזרים לפיזור יעיל של ננו־חומרים, למשל בצבעים, בדיו ובציפויים.

• מכשירי מעבדה קומפקטיים בהספק של עד 400 ואט.
  מכשירים אלה משמשים בעיקר להכנת דגימות או לבדיקות היתכנות ראשוניות, וזמינים להשכרה.
• 500 וכן 1,000 וכן 2,000 ואט הם ההספקים של מעבדים אולטרסוניים כגון ערכת UIP1000hd עם תא זרימה ומגברי משרעת וסונוטרודות מסוגים שונים שיכולים לעבד זרמים בנפחים גדולים יותר.
  מכשירים מסוג זה משמשים לאופטימיזציה של הפרמטרים (כגון: משרעת, לחץ עבודה, ספיקת זרימה וכו') בקנה מידה שולחני או במתקן פיילוט.
• מעבדים אולטרסוניים בהספק של 2kW, 4kW, 10kW וכן 16kW ומערכים גדולים יותר של כמה יחידות כאלה יכולים לעבד זרמים בנפחי ייצור כמעט בכל קנה מידה.

ציוד שולחני זמין להשכרה בתנאים נוחים לצורך ביצוע ניסויי תהליך. ניתן להגדיל באופן ליניארי את קנה המידה של תוצאות ניסויים אלה לרמת ייצור – ובכך להפחית את הסיכון והעלויות הכרוכים בפיתוח התהליך. נשמח לסייע לכם באינטרנט, בטלפון או באופן אישי. תוכלו למצוא את הכתובות שלנו כאן, או להשתמש בטופס שלהלן.

הטבלה שלהלן מספקת הערכה של כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו: