פיזור ננו-חלקיקים אמין עבור יישומים תעשייתיים

אולטרה-סוניקציה בהספק גבוה יכולה לפרק בצורה יעילה ואמינה אגרגטים של חלקיקים ואף לפרק חלקיקים ראשוניים. בשל ביצועי הפיזור הגבוהים שלו, אולטרסאונד מסוג בדיקה משמש כשיטה מועדפת ליצירת מתלים הומוגניים של ננו-חלקיקים.

פיזור ננו-חלקיקים אמין על ידי אולטרה-סוניקציה

תעשיות רבות דורשות הכנת מתלים, שהם ננו-חלקיקים טעונים. ננו-חלקיקים הם מוצקים שגודל החלקיקים שלהם קטן מ-100 ננומטר. בשל גודל החלקיקים הזעיר, ננו-חלקיקים מבטאים תכונות ייחודיות כגון חוזק יוצא דופן, קשיות, תכונות אופטיות, משיכות, עמידות UV, מוליכות, תכונות חשמליות ואלקטרומגנטיות (EM), אנטי-קורוזיביות, עמידות בפני שריטות ומאפיינים יוצאי דופן אחרים.
אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך יוצר קוויטציה אקוסטית אינטנסיבית, המאופיינת בתנאים קיצוניים כגון כוחות גזירה, הפרשי לחץ וטמפרטורה גבוהים מאוד ומערבולות. כוחות קוויטציוניים אלה מאיצים חלקיקים וגורמים להתנגשויות בין חלקיקים וכתוצאה מכך לריסוק החלקיקים. כתוצאה מכך, חומרים ננו-מבניים בעלי עקומת גודל חלקיקים צרה והתפלגות אחידה מתקבלים.
ציוד פיזור קולי מתאים לטיפול בכל סוג של ננו-חומרים במים ובממסים אורגניים, בעלי צמיגות נמוכה עד גבוהה מאוד.

פיזור קולי של ננו-צינוריות פחמן

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.

פיזור על-קולי של ננו-חלקיקי ניקל

ניתן לייצר בהצלחה ננו-חלקיקי ניקל באמצעות סינתזת הפחתת הידרזין בסיוע אולטרה-סאונד. מסלול הסינתזה להפחתת הידרזין מאפשר להכין ננו-חלקיק ניקל מתכתי טהור בעל צורה כדורית על ידי הפחתה כימית של ניקל כלורי עם הידרזין. קבוצת המחקר של Adám הדגימה כי אולטרה-סוניקציה – באמצעות Hielscher UP200HT (200 ואט, 26kHz) – היה מסוגל לשמור על גודל קריסטליט ראשוני ממוצע (7-8 ננומטר) ללא תלות בטמפרטורה המופעלת, בעוד ששימוש בתקופות סוניקציה אינטנסיביות וקצרות יותר יכול להפחית את הקטרים המסיסים של החלקיקים המשניים המצטברים מ-710 ננומטר ל-190 ננומטר בהיעדר חומרים פעילי שטח. החומציות הגבוהה ביותר והפעילות הקטליטית הגבוהה ביותר נמדדו עבור ננו-חלקיקים שהוכנו על ידי טיפול מתון (30 W הספק יציאה) וטיפול אולטרסאונד רציף. ההתנהגות הקטליטית של הננו-חלקיקים נבדקה בתגובת צימוד צולבת סוזוקי-מיאורה, על פני חמש דגימות שהוכנו בדרכים הקונבנציונליות והעל-קוליות. הזרזים שהוכנו באולטרסאונד בדרך כלל הפגינו ביצועים טובים יותר, והפעילות הקטליטית הגבוהה ביותר נמדדה על פני ננו-חלקיקים שהוכנו תחת סוניקציה רציפה בהספק נמוך (30 W).
לטיפול האולטרסאונד היו השפעות מכרעות על נטיית הצבירה של הננו-חלקיקים: השפעת האיחוי של חללי הקוויטציה ההרוסים עם העברת המסה הנמרצת יכלה להתגבר על האלקטרוסטטיות האטרקטיבית של חללי הקוויטציה ההרוסים עם העברת המסה הנמרצת יכלה להתגבר על הכוחות האלקטרוסטטיים והוואן דר ואלס המושכים בין החלקיקים.
(ראה: Adám et al. 2020)

סינתזה על-קולית של ננו-חלקיקים וולאסטוניט

Wollastonite הוא מינרל סידן inosilicate עם הנוסחה הכימית CaSiO3 Wollastonite נמצא בשימוש נרחב כמרכיב לייצור מלט, זכוכית, לבנים ואריחים בתעשיית הבנייה, כמו שטף יציקת פלדה כמו גם תוסף בייצור ציפויים וצבעים. לדוגמה, וולאסטוניט מספק חיזוק, התקשות, ספיגת שמן נמוכה ושיפורים אחרים. על מנת להשיג תכונות חיזוק מצוינות של וולאסטוניט, פירוק בקנה מידה ננומטרי ופיזור אחיד הם חיוניים.
Dordane and Doroodmand (2021) הראו במחקריהם כי פיזור קולי הוא גורם חשוב מאוד המשפיע על הגודל והמורפולוגיה של ננו-חלקיקי וולאסטוניט באופן משמעותי. כדי להעריך את תרומת הסוניקציה על פיזור ננו-פיזור וולאסטוניט, צוות המחקר סינתז ננו-חלקיקי וולאסטוניט עם וללא יישום של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. עבור ניסויי הסוניק שלהם, החוקרים השתמשו ב מעבד קולי UP200H (Hielscher Ultrasonics) בתדר של 24 קילוהרץ למשך 45.0 דקות. התוצאות של פיזור ננו על-קולי מוצגות ב-SEM ברזולוציה גבוהה להלן. תמונת SEM מראה בבירור כי דגימת וולאסטוניט לפני טיפול קולי הוא agglomerated ו aggregated; לאחר הסוניקציה עם האולטרסוניקטור UP200H הגודל הממוצע של חלקיקי הוולאסטוניט הוא כ-10 ננומטר. המחקר מראה כי פיזור קולי הוא טכניקה אמינה ויעילה לסנתז ננו-חלקיקים וולאסטוניט. ניתן לשלוט בגודל הממוצע של ננו-חלקיקים על ידי התאמת פרמטרי העיבוד העל-קוליים.
(ראה: Dordane and Doroodmand, 2021)

תמונות SEM של ננו-חלקיקי וולאסטוניט (A) לפני ו-(B) לאחר אולטרסוניקציה באמצעות מעבד קולי UP200H למשך 45.0 דקות.
מחקר ותמונה: ©Dordane and Doroodmand, 2021.

פיזור ננופילר על-קולי

סוניקציה היא שיטה רב-תכליתית לפיזור ופירוק ננו-חומרי מילוי בנוזלים ובתרחיפים, כגון פולימרים, שרפים אפוקסיים, קשיחים, תרמופלסטיים וכו'. לכן, סוניפיקציה נמצאת בשימוש נרחב כשיטת פיזור יעילה ביותר ב-R&D וייצור תעשייתי.
Zanghellini et al. (2021) חקרו את טכניקת הפיזור העל-קולי עבור ננו-חומרי מילוי בשרף אפוקסי. הוא יכול היה להדגים שסוניקציה מסוגלת לפזר ריכוזים קטנים וגבוהים של ננו-חומרי מילוי לתוך מטריצה פולימרית.
בהשוואה בין פורמולציות שונות, ה-CNT המחומצן ב-0.5% wt% הראה את התוצאות הטובות ביותר של כל הדגימות הסוניות, וחשף התפלגות גודל של רוב האגלומרטים בטווח דומה לשלוש דגימות המיוצרות על ידי טחנת גליל, קשירה טובה למקשה, היווצרות רשת חלחול בתוך הפיזור, המצביעה על יציבות נגד שיקוע ובכך יציבות נכונה לטווח ארוך. כמויות מילוי גבוהות יותר הראו תוצאות טובות דומות, אך גם היווצרות רשתות פנימיות בולטות יותר, כמו גם אגרולומרטים גדולים במקצת. אפילו ננו-סיבי פחמן (CNF) יכולים להיות מפוזרים בהצלחה באמצעות סוניקציה. פיזור ישיר בארה"ב של ננו-חומרי מילוי במערכות הקשיחות ללא ממסים נוספים הושג בהצלחה, ולכן ניתן לראות בו שיטה ישימה לפיזור פשוט ופשוט עם פוטנציאל לשימוש תעשייתי. (ראה: Zanghellini et al., 2021)

השוואה בין ננו-חומרי מילוי שונים המפוזרים במקשה באמצעות אולטרסוניקציה מסוג בדיקה): (א) ננו-סיבי פחמן 0.5 wt% (CNF); (ב) 0.5 wt% CNToxid; (ג) ננו-צינורית פחמן 0.5 wt% (CNT); (d) 0.5 wt% CNT מפוזר למחצה.
מחקר ותמונה: ©Zanghellini et al., 2021

פיזור על-קולי של ננו-חלקיקים – הוכח מדעית לעליונות

מחקרים רבים ומתוחכמים מראים כי פיזור על-קולי הוא אחת הטכניקות הטובות ביותר לפירוק והפצה של ננו-חלקיקים אפילו בריכוז גבוה בנוזלים. לדוגמה, Vikash (2020) חקר את הפיזור של עומסים גבוהים של ננו-סיליקה בנוזלים צמיגים באמצעות המפזר העל-קולי Hielscher UP400S. במחקרו הוא מגיע למסקנה כי "ניתן להשיג פיזור יציב ואחיד של ננו-חלקיקים באמצעות התקן אולטרה-סוניקציה בעומס מוצק גבוה בנוזלים צמיגים". [ויקאש, 2020]

מעבדים על-קוליים בעלי ביצועים גבוהים לפיזור ננו-חלקיקים

Hielscher Ultrasonics הוא הספק האמין שלך עבור ציוד קולי אמין בעל ביצועים גבוהים ממעבדה וטייס למערכות תעשייתיות מלאות. Hielscher Ultrasonics’ המכשירים כוללים חומרה מתוחכמת, תוכנה חכמה וידידותיות יוצאת דופן למשתמש – עוצב ויוצר בגרמניה. מכונות קוליות חזקות של Hielscher לפיזור, deagglomeration, סינתזת ננו-חלקיקים ופונקציונליות ניתן להפעיל 24/7/365 תחת עומס מלא. בהתאם לתהליך שלך ולמתקן הייצור שלך, ניתן להפעיל את האולטרסאונד שלנו במצב אצווה או במצב רציף בתוך השורה. אביזרים שונים כגון סונוטרודים (בדיקות קוליות), קרני הגברה, תאי זרימה וכורים זמינים.
צרו איתנו קשר עכשיו כדי לקבל מידע טכני נוסף, מחקרים מדעיים, פרוטוקולים והצעת מחיר למערכות פיזור הננו-קולי שלנו! הצוות המיומן והמנוסה שלנו ישמח לדון איתך ביישום הננו שלך!

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: