Ultrazvučno dispergiranje nanomaterijala (nanočestica)
Nanomaterijali su postali sastavni dio tako raznolikih proizvoda kao što su visokoučinkoviti materijali, sredstva za zaštitu od sunca, visokoučinkoviti premazi ili plastični kompoziti. Ultrazvučna kavitacija koristi se za dispergiranje čestica nanometarske veličine u tekućinama poput vode, ulja, otapala ili smola.
Ultrazvučno dispergiranje nanočestica
Primjena ultrazvučnog dispergiranja nanočestica ima višestruke učinke. Najočitiji je dispergiranje materijala u tekućinama radi razbijanja aglomerata čestica. Drugi je postupak primjena ultrazvuka tijekom sinteze ili taloženja čestica. Općenito, to dovodi do manjih čestica i veće ujednačenosti njihove veličine. Ultrazvučna kavitacija također poboljšava prijenos tvari na površinama čestica. Taj se učinak može iskoristiti za poboljšanje površinske funkcionalizacije materijala s velikom specifičnom površinom.
Dispergiranje i smanjenje veličine nanomaterijala
Nanomaterijali, primjerice metalni oksidi, nanogline ili ugljikove nanocijevi , skloni su aglomeraciji pri umješavanju u tekućinu. Učinkovite metode deaglomeracije i dispergiranja potrebne su kako bi se svladale vezne sile nakon kvašenja praha. Ultrazvučno razbijanje aglomeratnih struktura u vodenim i nevodenim suspenzijama omogućuje iskorištavanje punog potencijala materijala nanometarske veličine. Istraživanja različitih disperzija aglomerata nanočestica s promjenjivim udjelom čvrste tvari pokazala su znatnu prednost ultrazvuka u usporedbi s drugim tehnologijama, poput miješalica s rotorom i statorom (npr. ultra turrax), klipnih homogenizatora ili metoda mokrog mljevenja, primjerice mlinova s kuglicama ili koloidnih mlinova. Hielscher ultrazvučni sustavi mogu raditi pri prilično visokim koncentracijama čvrste tvari. Primjerice, za silicijev dioksid utvrđeno je da je brzina razbijanja neovisna o koncentraciji čvrste tvari do 50% masenog udjela. Ultrazvuk se može primijeniti za dispergiranje visokokoncentriranih matičnih smjesa – uz obradu tekućina niske i visoke viskoznosti. Zbog toga je ultrazvuk dobro rješenje za obradu boja i premaza na bazi različitih medija, poput vode, smole ili ulja.
Ultrazvučni homogenizator UP400St za nanodisperzije
Ultrazvučna kavitacija
Dispergiranje i deaglomeracija sonikacijom rezultat su ultrazvučne kavitacije. Pri izlaganju tekućina ultrazvuku, zvučni valovi koji se šire kroz tekućinu stvaraju naizmjenične cikluse visokog i niskog tlaka. Time se mehanički opterećuju privlačne sile između pojedinačnih čestica. Ultrazvučna kavitacija u tekućinama stvara brze mlazove tekućine brzine do 1000km/hr (približno 600mph). Takvi mlazovi pod visokim tlakom potiskuju tekućinu između čestica i razdvajaju ih. Mlazovi tekućine ubrzavaju manje čestice, koje se sudaraju pri velikim brzinama. Zbog toga je ultrazvuk učinkovito sredstvo za dispergiranje, ali i za mljevenje čestica mikrometarske i submikrometarske veličine.
Ultrazvučno potpomognuta sinteza / taloženje čestica
Nanočestice se mogu proizvesti pristupom odozdo prema gore, sintezom ili taloženjem. Sonokemija je jedna od najranijih tehnika korištenih za pripremu spojeva nanometarske veličine. Suslick je u svojem izvornom radu sonicirao Fe(CO)5 bilo kao čistu tekućinu bilo u otopini s otapalom deaclin te dobio amorfne nanočestice željeza veličine 10–20nm. Općenito, prezasićena smjesa počinje stvarati čvrste čestice iz visokokoncentriranog materijala. Sonikacija poboljšava miješanje prekursora i povećava prijenos tvari na površini čestica. To dovodi do manje veličine čestica i veće ujednačenosti.
UIP2000hdT, snažan ultrazvučni uređaj snage 2kW za dispergiranje SWCNT-ova.
Funkcionalizacija površine ultrazvukom
Mnogi nanomaterijali, poput metalnih oksida, pigmenata za tintu za tintni ispis i tonere ili punila za visokoučinkovite premaze, zahtijevaju funkcionalizaciju površine. Kako bi se funkcionalizirala cijela površina svake pojedinačne čestice, potrebna je dobra metoda dispergiranja. Dispergirane čestice obično su okružene graničnim slojem molekula koje privlači površina čestice. Kako bi nove funkcionalne skupine dospjele do površine čestice, taj je granični sloj potrebno razbiti ili ukloniti. Mlazovi tekućine nastali ultrazvučnom kavitacijom mogu doseći brzine do 1000km/hr. To naprezanje pomaže prevladati privlačne sile i prenosi funkcionalne molekule do površine čestice. U sonokemiji se taj učinak koristi za poboljšanje učinkovitosti dispergiranih katalizatora.
Sonikacija prije mjerenja veličine čestica
Sonikacija uzoraka poboljšava točnost mjerenja veličine ili morfologije čestica. Novi SonoStep objedinjuje ultrazvuk, miješanje i pumpanje uzoraka u kompaktnom uređaju. Jednostavan je za rukovanje i može se koristiti za dopremanje soniciranih uzoraka u analitičke uređaje, poput analizatora veličine čestica. Intenzivna sonikacija pomaže dispergirati aglomerirane čestice, što dovodi do dosljednijih rezultata.Kliknite ovdje i saznajte više!
Ultrazvučna obrada u laboratorijskom i proizvodnom mjerilu
Ultrazvučni procesori i protočne ćelije za deaglomeraciju i dispergiranje dostupni su za rad na laboratorijskoj i proizvodnoj razini. Industrijski sustavi mogu se jednostavno naknadno prilagoditi za rad u protočnom načinu. Za istraživanje i razvoj procesa preporučujemo upotrebu uređaja UIP1000hd (1.000 vata).
Hielscher nudi širok raspon ultrazvučnih uređaja i pribora za učinkovito dispergiranje nanomaterijala, npr. u bojama, tintama i premazima.
- Kompaktni laboratorijski uređaji snage do 400 vata.
Ovi se uređaji uglavnom koriste za pripremu uzoraka ili početna ispitivanja izvedivosti te su dostupni za najam. - 500 i 1.000 i 2.000 vata snage imaju ultrazvučni procesori poput kompleta UIP1000hd s protočnom ćelijom te različitim pojačivačima amplitude i sonotrodama , koji mogu obrađivati veće volumne protoke.
Takvi se uređaji koriste za optimizaciju parametara (poput amplitude, radnog tlaka, protoka itd.) u stolnom laboratorijskom ili pilot-mjerilu. - Ultrazvučni procesori snage 2kW, 4kW, 10kW i 16kW te veće skupine od nekoliko takvih jedinica mogu obrađivati proizvodne volumne protoke na gotovo bilo kojoj razini.
Stolna laboratorijska oprema dostupna je za najam po povoljnim uvjetima radi provođenja procesnih ispitivanja. Rezultati takvih ispitivanja mogu se linearno prenijeti na proizvodnu razinu – čime se smanjuju rizik i troškovi razvoja procesa. Rado ćemo vam pomoći putem interneta, telefonom ili osobno. Pronađite naše adrese ovdje ili upotrijebite obrazac u nastavku.
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Nanomaterijali – osnovne informacije
Nanomaterijali su materijali veličine manje od 100nm. Sve se brže uvode u formulacije boja, tinti i premaza. Nanomaterijali se dijele u tri široke kategorije: metalni oksidi, nanogline i ugljikove nanocijevi. Nanočestice metalnih oksida uključuju cinkov oksid, titanijev oksid, željezov oksid, cerijev oksid i cirkonijev oksid nanometarskih dimenzija, kao i spojeve miješanih metala poput indijeva kositrova oksida te cirkonija i titanija, kao i spojeve miješanih metala poput indijeva kositrova oksida. Ova sitna tvar utječe na mnoge discipline, poput fizike, kemije i biologije. U bojama i premazima nanomaterijali zadovoljavaju dekorativne potrebe (npr. boju i sjaj), ispunjavaju funkcionalne svrhe (npr. vodljivost, inaktivaciju mikroorganizama) te poboljšavaju zaštitna svojstva (npr. otpornost na ogrebotine, UV stabilnost) boja i premaza. Osobito se metalni oksidi nanometarskih dimenzija, poput TiO2 i ZnO ili aluminijeva oksida, cerijeva oksida i silicijeva dioksida , i pigmenti nanoveličine primjenjuju u novim formulacijama boja i premaza.
Kada se tvari smanji veličina, mijenjaju se njezina svojstva, poput boje i međudjelovanja s drugim tvarima, primjerice kemijske reaktivnosti. Promjena svojstava uzrokovana je promjenom elektronskih svojstava. Pri smanjenju veličine čestica povećava se površina materijala. Zbog toga veći postotak atoma može međudjelovati s drugim tvarima, npr. s matricom smola.
Površinska aktivnost ključan je aspekt nanomaterijala. Aglomeracija i agregacija onemogućuju dodir površine s drugim tvarima. Samo dobro dispergirane ili pojedinačno dispergirane čestice omogućuju iskorištavanje punog korisnog potencijala tvari. Stoga dobro dispergiranje smanjuje količinu nanomaterijala potrebnu za postizanje istih učinaka. Budući da je većina nanomaterijala još uvijek prilično skupa, taj je aspekt vrlo važan za komercijalizaciju formulacija proizvoda koje sadržavaju nanomaterijale. Danas se mnogi nanomaterijali proizvode suhim postupkom. Zbog toga je čestice potrebno umiješati u tekuće formulacije. Pritom većina nanočestica tijekom kvašenja stvara aglomerate. Osobito ugljikove nanocijevi imaju vrlo izraženu koheziju, zbog čega ih je teško dispergirati u tekućinama poput vode, etanola, ulja, polimera ili epoksidne smole. Konvencionalni uređaji za obradu, npr. miješalice s visokim smicanjem ili miješalice rotor–stator, visokotlačni homogenizatori ili koloidni i diskovni mlinovi, nisu dovoljno učinkoviti u razdvajanju nanočestica na zasebne čestice. Osobito za sitne čestice veličine od nekoliko nanometara do par mikrometara, ultrazvučna kavitacija vrlo je učinkovita u razbijanju aglomerata, agregata, pa čak i primarnih čestica. Kada se ultrazvuk upotrebljava za mljevenje šarži visoke koncentracije, mlazovi tekućine nastali ultrazvučnom kavitacijom uzrokuju međusobne sudare čestica pri brzinama do 1000km/h. Time se prekidaju van der Waalsove sile u aglomeratima, pa čak i u primarnim česticama.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskom, pilotnom i industrijskom mjerilu.