औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए विश्वसनीय नैनोकण परिक्षेपण

उच्च शक्ति वाला अल्ट्रासोनिकेशन कणों के समूहों को कुशलतापूर्वक और विश्वसनीय ढंग से तोड़ सकता है और प्राथमिक कणों को भी विघटित कर सकता है। परिक्षेपण में अपने उच्च प्रदर्शन के कारण, समरूप नैनोकण निलंबन तैयार करने के लिए प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटरों का उपयोग पसंदीदा विधि के रूप में किया जाता है।

अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा विश्वसनीय नैनोकण परिक्षेपण

कई उद्योगों में नैनोकणों से युक्त निलंबन तैयार करने की आवश्यकता होती है। नैनोकण ऐसे ठोस होते हैं जिनका कण आकार 100nm से कम होता है। अत्यंत छोटे कण आकार के कारण, नैनोकण असाधारण मजबूती, कठोरता, प्रकाशीय विशेषताएँ, तन्यता, UV प्रतिरोध, चालकता, विद्युत और विद्युतचुंबकीय (EM) गुण, संक्षारण प्रतिरोध, खरोंच प्रतिरोध तथा अन्य असाधारण विशेषताओं जैसे अद्वितीय गुण प्रदर्शित करते हैं।
उच्च तीव्रता वाला, निम्न आवृत्ति का अल्ट्रासाउंड तीव्र ध्वनिक कैविटेशन उत्पन्न करता है, जिसकी विशेषता अपरूपण बल, अत्यधिक उच्च दाब और तापमान अंतर तथा विक्षोभ जैसी चरम स्थितियाँ हैं। ये कैविटेशन बल कणों को त्वरित करते हैं, जिससे कणों के बीच टकराव होता है और परिणामस्वरूप कण टूट जाते हैं। फलस्वरूप, संकीर्ण कण आकार वक्र और एकसमान वितरण वाली नैनोसंरचित सामग्रियाँ प्राप्त होती हैं।
अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण उपकरण पानी और कार्बनिक विलायकों में कम से लेकर अत्यधिक उच्च श्यानता तक की स्थितियों में किसी भी प्रकार की नैनोसामग्री के उपचार के लिए उपयुक्त हैं।

कार्बन नैनोट्यूबों का अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण

कार्बन नैनोट्यूबों (CNTs) के परिक्षेपण के लिए अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सरों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। सोनिकेशन एकल-भित्तीय कार्बन नैनोट्यूबों (SWCNTs) और बहु-भित्तीय कार्बन नैनोट्यूबों (MWCNTs) को सुलझाने और परिक्षेपित करने की एक विश्वसनीय विधि है। उदाहरण के लिए, अत्यधिक चालक थर्मोप्लास्टिक बहुलक बनाने के लिए, उच्च शुद्धता वाले (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; बाहरी व्यास 9.5 nm; शुद्धता 95 +%) को कमरे के तापमान पर Hielscher UP200S से 30min. तक अल्ट्रासोनिक रूप से परिक्षेपित किया गया। एपॉक्सी रेज़िन में 1% w/w की सांद्रता पर अल्ट्रासोनिक रूप से परिक्षेपित Nanocyl® 3100 MWCNTs ने लगभग 1.5 × 10-2 S /m की श्रेष्ठ चालकता प्रदर्शित की।

निकेल नैनोकणों का अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण

अल्ट्रासोनिक सहायता प्राप्त हाइड्राज़ीन अपचयन संश्लेषण द्वारा निकेल नैनोकणों का सफलतापूर्वक उत्पादन किया जा सकता है। हाइड्राज़ीन अपचयन संश्लेषण मार्ग में हाइड्राज़ीन से निकेल क्लोराइड का रासायनिक अपचयन करके गोलाकार शुद्ध धात्विक निकेल नैनोकण तैयार किए जा सकते हैं। Adám के शोध समूह ने दर्शाया कि अल्ट्रासोनिकेशन – जिसमें इस्तेमाल किया गया उपकरण था Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – लागू तापमान से स्वतंत्र रूप से प्राथमिक क्रिस्टलाइट का औसत आकार (7–8 nm) बनाए रखने में सक्षम था, जबकि तीव्र और कम अवधि वाले सोनिकेशन के उपयोग से किसी भी पृष्ठसक्रिय पदार्थ की अनुपस्थिति में द्वितीयक, समुच्चयित कणों के सॉल्वोडायनामिक व्यास को 710 nm से घटाकर 190 nm किया जा सकता था। हल्के (30 W आउटपुट शक्ति) और निरंतर अल्ट्रासाउंड उपचार से तैयार नैनोकणों में उच्चतम अम्लता और उत्प्रेरकीय सक्रियता मापी गई। पारंपरिक तथा अल्ट्रासोनिक विधियों से तैयार पाँच नमूनों पर Suzuki-Miyaura क्रॉस-कपलिंग अभिक्रिया में नैनोकणों के उत्प्रेरकीय व्यवहार का परीक्षण किया गया। अल्ट्रासोनिक विधि से तैयार उत्प्रेरकों ने आम तौर पर बेहतर प्रदर्शन किया, और कम शक्ति (30 W) वाले निरंतर सोनिकेशन से तैयार नैनोकणों में उच्चतम उत्प्रेरकीय सक्रियता मापी गई।
अल्ट्रासाउंड उपचार का नैनोकणों की समुच्चयन प्रवृत्ति पर निर्णायक प्रभाव पड़ा: तीव्र द्रव्यमान स्थानांतरण के साथ नष्ट हुई कैविटेशन गुहाओं का डीफ़्रैगमेंटेशन प्रभाव आकर्षक स्थिरवैद्युत प्रभाव पर काबू पा सकता था, नष्ट हुई कैविटेशन गुहाओं का प्रभाव तीव्र द्रव्यमान स्थानांतरण के साथ कणों के बीच आकर्षक स्थिरवैद्युत और वान डर वाल्स बलों पर काबू पा सकता था।
(cf. Adám et al. 2020)

वोलास्टोनाइट नैनोकणों का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण

वोलास्टोनाइट एक कैल्शियम इनोसिलिकेट खनिज है जिसका रासायनिक सूत्र CaSiO3 है वोलास्टोनाइट का व्यापक रूप से निर्माण उद्योग में सीमेंट, काँच, ईंट और टाइल के उत्पादन के लिए एक घटक के रूप में, इस्पात की ढलाई में फ्लक्स के रूप में तथा कोटिंग और पेंट के निर्माण में एक योजक के रूप में उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, वोलास्टोनाइट प्रबलन, कठोरीकरण, कम तेल अवशोषण और अन्य सुधार प्रदान करता है। वोलास्टोनाइट के उत्कृष्ट प्रबलन गुण प्राप्त करने के लिए नैनो-पैमाने पर कण-गुच्छों का विघटन और एकसमान परिक्षेपण आवश्यक हैं।
Dordane और Doroodmand (2021) ने अपने अध्ययनों में प्रदर्शित किया कि अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण एक अत्यंत महत्वपूर्ण कारक है जो वोलास्टोनाइट नैनोकणों के आकार और आकृति-विज्ञान को उल्लेखनीय रूप से प्रभावित करता है। वोलास्टोनाइट के नैनो-परिक्षेपण में सोनिकेशन के योगदान का मूल्यांकन करने के लिए शोध दल ने उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके और इसके बिना वोलास्टोनाइट नैनोकणों का संश्लेषण किया। अपने सोनिकेशन परीक्षणों के लिए शोधकर्ताओं ने अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर UP200H (Hielscher Ultrasonics) का उपयोग 24 kHz की आवृत्ति पर 45.0 min. तक किया। अल्ट्रासोनिक नैनो-परिक्षेपण के परिणाम नीचे दिए गए उच्च-रिज़ॉल्यूशन SEM में दिखाए गए हैं। SEM चित्र स्पष्ट रूप से दिखाता है कि अल्ट्रासोनिक उपचार से पहले वोलास्टोनाइट का नमूना गुच्छित और समुच्चयित है; UP200H अल्ट्रासोनिकेटर से सोनिकेशन के बाद वोलास्टोनाइट कणों का औसत आकार लगभग 10nm है। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण वोलास्टोनाइट नैनोकणों के संश्लेषण की एक विश्वसनीय और कुशल तकनीक है। अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण मापदंडों को समायोजित करके नैनोकणों के औसत आकार को नियंत्रित किया जा सकता है।
(cf. Dordane and Doroodmand, 2021)

वोलास्टोनाइट नैनोकणों के SEM चित्र: (A) अल्ट्रासोनिक उपचार से पहले और (B) अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर UP200H का उपयोग करके 45.0 min. तक अल्ट्रासोनिक उपचार के बाद।
अध्ययन और चित्र: ©Dordane and Doroodmand, 2021.

नैनोफिलर का अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण

सोनिकेशन द्रवों और स्लरी, जैसे पॉलिमर, एपॉक्सी रेज़िन, हार्डनर, थर्मोप्लास्टिक आदि में नैनोफिलरों को परिक्षेपित करने और उनके एग्लोमरेट तोड़ने की एक बहुपयोगी विधि है। इसलिए, अनुसंधान एवं विकास और औद्योगिक उत्पादन में सोनिकेशन का व्यापक रूप से एक अत्यंत दक्ष परिक्षेपण विधि के रूप में उपयोग किया जाता है।
Zanghellini et al. (2021) ने एपॉक्सी रेज़िन में नैनोफिलरों के लिए अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण तकनीक की जाँच की। वे यह प्रदर्शित कर सके कि सोनिकेशन पॉलिमर मैट्रिक्स में कम और उच्च सांद्रताओं वाले नैनोफिलरों को परिक्षेपित करने में सक्षम था।
विभिन्न फॉर्मूलेशनों की तुलना में, 0.5 wt% ऑक्सीकृत CNT ने सोनिकेशन किए गए सभी नमूनों में सर्वोत्तम परिणाम दिखाए। अधिकांश एग्लोमरेटों के आकार वितरण तीन-रोल मिल से तैयार नमूनों के तुलनीय परास में थे, हार्डनर के साथ अच्छा बंधन था और परिक्षेपण के भीतर एक परकोलेशन नेटवर्क बना था, जो अवसादन के विरुद्ध स्थिरता और इस प्रकार समुचित दीर्घकालिक स्थिरता का संकेत देता है। फिलर की अधिक मात्राओं ने भी इसी तरह अच्छे परिणाम दिखाए, लेकिन साथ ही अधिक स्पष्ट आंतरिक नेटवर्क और कुछ बड़े एग्लोमरेट भी बने। यहाँ तक कि कार्बन नैनोफाइबरों (CNF) को भी सोनिकेशन द्वारा सफलतापूर्वक परिक्षेपित किया जा सका। अतिरिक्त विलायकों के बिना हार्डनर प्रणालियों में नैनोफिलरों का प्रत्यक्ष अल्ट्रासोनिक (US) परिक्षेपण सफलतापूर्वक किया गया, और इसलिए इसे औद्योगिक उपयोग की संभावना वाली सरल और सीधी परिक्षेपण विधि के रूप में देखा जा सकता है। (देखें Zanghellini et al., 2021)
 

हार्डनर में परिक्षेपित विभिन्न नैनोफिलरों की तुलना (अल्ट्रासोनिकेशन–US): (a) 0.5 wt% कार्बन नैनोफाइबर (CNF); (b) 0.5 wt% CNToxi; (c) 0.5 wt% कार्बन नैनोट्यूब (CNT); (d) 0.5 wt% आंशिक रूप से परिक्षेपित CNT।
(अध्ययन और चित्र: © Zanghellini et al., 2021)

नैनोकणों का अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण – वैज्ञानिक रूप से सिद्ध श्रेष्ठता

अनेक परिष्कृत अध्ययनों के शोध से पता चलता है कि अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण द्रवों में उच्च सांद्रता पर भी नैनोकणों के एग्लोमरेट तोड़ने और उन्हें वितरित करने की श्रेष्ठ तकनीकों में से एक है। उदाहरण के लिए, Vikash (2020) ने Hielscher अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सर UP400S का उपयोग करके श्यान द्रवों में अधिक मात्रा में नैनो-सिलिका के परिक्षेपण की जाँच की। अपने अध्ययन में वे इस निष्कर्ष पर पहुँचते हैं कि “श्यान द्रवों में ठोस की उच्च मात्रा पर अल्ट्रासोनिकेशन उपकरण का उपयोग करके नैनोकणों का स्थिर और एकसमान परिक्षेपण प्राप्त किया जा सकता है।” [Vikash, 2020]

नैनोकणों के परिक्षेपण के लिए उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर

Hielscher Ultrasonics प्रयोगशाला और पायलट से लेकर पूर्ण औद्योगिक प्रणालियों तक के विश्वसनीय, उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक उपकरणों का आपका भरोसेमंद आपूर्तिकर्ता है। Hielscher Ultrasonics के उपकरणों में परिष्कृत हार्डवेयर, स्मार्ट सॉफ़्टवेयर और उपयोग में उत्कृष्ट सहजता है – इनका डिज़ाइन और निर्माण जर्मनी में किया जाता है। परिक्षेपण, एग्लोमरेट तोड़ने, नैनोकणों के संश्लेषण और कार्यात्मककरण के लिए Hielscher की मज़बूत अल्ट्रासोनिक मशीनों को पूर्ण लोड पर 24/7/365 चलाया जा सकता है। आपकी प्रक्रिया और आपकी उत्पादन सुविधा के आधार पर, हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों को बैच या सतत इन-लाइन मोड में चलाया जा सकता है। सोनोट्रोड (अल्ट्रासोनिक प्रोब), बूस्टर हॉर्न, प्रवाह सेल और रिएक्टर जैसे विभिन्न सहायक उपकरण आसानी से उपलब्ध हैं।
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नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: