Pouzdana disperzija nanočestica za industrijske primjene

Ultrazvučna obrada velike snage može učinkovito i pouzdano razbiti aglomerate čestica, pa čak i dezintegrirati primarne čestice. Zbog svojih visokih performansi disperzije, ultrazvučni uređaji tipa sonde koriste se kao preferirana metoda za stvaranje homogenih suspenzija nanočestica.

Pouzdana disperzija nanočestica ultrazvukom

Mnoge industrije zahtijevaju pripremu suspenzija, koje su napunjene nanočesticama. Nanočestice su krute tvari s veličinom čestica manjom od 100 nm. Zbog male veličine čestica, nanočestice izražavaju jedinstvena svojstva kao što su iznimna čvrstoća, tvrdoća, optička svojstva, duktilnost, UV otpornost, vodljivost, električna i elektromagnetska (EM) svojstva, antikorozivnost, otpornost na ogrebotine i druge izvanredne karakteristike.
Ultrazvuk visokog intenziteta niske frekvencije stvara intenzivnu akustičnu kavitaciju koju karakteriziraju ekstremni uvjeti kao što su sile smicanja, vrlo visoke razlike tlaka i temperature te turbulencije. Ove kavitacijske sile ubrzavaju čestice uzrokujući međučestične sudare i posljedično razbijanje čestica. Posljedično, dobiveni su nanostrukturni materijali s uskom krivuljom veličine čestica i jednolikom raspodjelom.
Ultrazvučna oprema za raspršivanje prikladna je za obradu bilo koje vrste nanomaterijala u vodi i organskim otapalima, s niskom do vrlo visokom viskoznošću.

Ultrazvučna disperzija ugljikovih nanocijevi

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.

Ultrazvučna disperzija nanočestica nikla

Nanočestice nikla mogu se uspješno proizvesti ultrazvučno potpomognutom sintezom redukcije hidrazina. Put sinteze redukcijom hidrazina omogućuje pripremu nanočestica čistog metalnog nikla sferičnog oblika kemijskom redukcijom nikal klorida hidrazinom. Istraživačka skupina Adama pokazala je da ultrazvučna obrada – koristiti Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – bio u mogućnosti održati prosječnu veličinu primarnog kristalita (7-8 nm) neovisno o primijenjenoj temperaturi, dok je upotreba intenzivnih i kraćih razdoblja sonikacije mogla smanjiti solvodinamičke promjere sekundarnih, agregiranih čestica sa 710 nm na 190 nm u odsutnosti. bilo kojeg surfaktanta. Najveća kiselost i katalitička aktivnost izmjerene su za nanočestice pripremljene blagim (30 W izlazne snage) i kontinuiranim tretmanom ultrazvukom. Katalitičko ponašanje nanočestica ispitano je Suzuki-Miyaura reakcijom unakrsnog sprezanja na pet uzoraka pripremljenih na konvencionalne i ultrazvučne načine. Ultrazvučno pripremljeni katalizatori obično su imali bolje rezultate, a najveća katalitička aktivnost izmjerena je na nanočesticama pripremljenim uz kontinuiranu sonikaciju niske snage (30 W).
Tretman ultrazvukom imao je ključne učinke na tendenciju agregacije nanočestica: utjecaj defragmentacije uništenih kavitacijskih šupljina uz snažan prijenos mase mogao je nadvladati privlačnu elektrostatiku uništenih kavitacijskih šupljina uz snažan prijenos mase mogao nadvladati privlačnu elektrostatiku i van der Waalsove sile između čestica.
(usp. Adám et al. 2020.)

Ultrazvučna sinteza nanočestica wollastonita

Wollastonit je mineral kalcijevog inosilikata s kemijskom formulom CaSiO3 Wollastonit se naširoko koristi kao komponenta za proizvodnju cementa, stakla, cigle i pločica u građevinskoj industriji, kao topilac u lijevanju čelika, kao i kao dodatak u proizvodnji premazi i boje. Na primjer, wollastonite osigurava ojačanje, stvrdnjavanje, nisku apsorpciju ulja i druga poboljšanja. Kako bi se postigla izvrsna svojstva ojačanja wollastonita, neophodna je deaglomeracija nano skale i jednolika disperzija.
Dordane i Doroodmand (2021) su u svojim studijama pokazali da je ultrazvučna disperzija vrlo važan čimbenik koji značajno utječe na veličinu i morfologiju nanočestica volastonita. Kako bi procijenili doprinos sonikacije na nano-disperziju volastonita, istraživački tim je sintetizirao nanočestice volastonita sa i bez primjene ultrazvuka velike snage. Za svoje pokuse sonikacije istraživači su koristili ultrazvučni procesor UP200H (Hielscher Ultrasonics) s frekvencijom od 24 kHz u trajanju od 45,0 min. Rezultati ultrazvučne nano-disperzije prikazani su u SEM-u visoke rezolucije u nastavku. SEM slika jasno pokazuje da je uzorak wollastonita prije ultrazvučnog tretmana aglomeriran i agregiran; nakon sonikacije s UP200H ultrasonicatorom prosječna veličina čestica wollastonita je cca. 10nm. Studija pokazuje da je ultrazvučna disperzija pouzdana i učinkovita tehnika za sintezu nanočestica volastonita. Prosječna veličina nanočestica može se kontrolirati podešavanjem parametara ultrazvučne obrade.
(usp. Dordane i Doroodmand, 2021.)

SEM slike nanočestica volastonita (A) prije i (B) nakon ultrazvučne obrade pomoću ultrazvučni procesor UP200H 45,0 min.Studija i slika: ©Dordane i Doroodmand, 2021.

Ultrazvučna disperzija nanopunila

Ultrazvuk je svestrana metoda za raspršivanje i deaglomeraciju nanopunila u tekućinama i kašama, npr. polimera, epoksidnih smola, učvršćivača, termoplasta itd. Stoga se ultrazvuk naširoko koristi kao vrlo učinkovita disperzijska metoda u R&D i industrijska proizvodnja.
Zanghellini i sur. (2021) istraživali su tehniku ultrazvučne disperzije nanopunila u epoksidnoj smoli. Mogao je pokazati da je sonikacija uspjela raspršiti male i visoke koncentracije nanopunila u polimernu matricu.
Uspoređujući različite formulacije, 0,5 wt% oksidirani CNT pokazao je najbolje rezultate od svih ultrazvučno obrađenih uzoraka, otkrivajući distribuciju veličine većine aglomerata u usporedivom rasponu s tri uzorka proizvedena u mlinu, dobro vezanje na učvršćivač, stvaranje perkolacijska mreža unutar disperzije, što ukazuje na stabilnost protiv taloženja, a time i odgovarajuću dugoročnu stabilnost. Veće količine punila pokazale su slične dobre rezultate, ali i stvaranje izraženije unutarnje mreže kao i nešto većih aglomerata. Čak bi se i ugljikova nanovlakna (CNF) mogla uspješno raspršiti sonikacijom. Izravna US disperzija nanopunila u sustavima učvršćivača bez dodatnih otapala uspješno je postignuta i stoga se može smatrati primjenjivom metodom za jednostavnu i izravnu disperziju s potencijalom za industrijsku upotrebu. (usp. Zanghellini i sur., 2021.)
 

Usporedba različitih nanopunila dispergiranih u učvršćivaču (ultrazvučna obrada – SAD): (a) 0,5 tež.% ugljičnih nanovlakana (CNF); (b) 0,5 tež.% CNToxi; (c) 0,5 tež.% ugljikove nanocijevi (CNT); (d) 0,5 tež.% CNT poludispergirano.(Studija i slika: © Zanghellini et al., 2021.)

Ultrazvučna disperzija nanočestica – Znanstveno dokazana superiornost

Research shows in numerous sophisticated studies that ultrasonic dispersion is one of the superior techniques to deagglomerate and distribute nanoparticles even at high concentration in liquids. For instance, Vikash (2020) investigated the dispersion of high loads of nano-silica in viscous liquids using the Hielscher ultrasonic disperser UP400S. In his study, he comes to conclusion that “the stable and uniform dispersion of nanoparticles can be achieved using an ultra-sonication device at high solid loading in viscous liquids.” [Vikash, 2020]

Ultrazvučni procesori visokih performansi za disperziju nanočestica

Hielscher Ultrasonics je vaš pouzdan dobavljač za pouzdanu ultrazvučnu opremu visokih performansi od laboratorijskih i pilotskih do potpuno industrijskih sustava. Hielscher Ultrasonics’ uređaji imaju sofisticirani hardver, pametni softver i izvanrednu jednostavnost korištenja – designed and manufactured in Germany. Hielscher’s robust ultrasonic machines for dispersion, deagglomeration, nanoparticle synthesis and functionalization can be operated 24/7/365 under full load. Depending on your process and your production facility, our ultrasonicators can be run in batch or continuous in-line mode. Various accessories such as sonotrodes (ultrasonic probes), booster horns, flow cells and reactors are readily available.
Kontaktirajte nas sada kako biste dobili više tehničkih informacija, znanstvenih studija, protokola i ponude za naše ultrazvučne nano-disperzijske sustave! Naše dobro obučeno osoblje s dugogodišnjim iskustvom rado će s vama razgovarati o vašoj nano-primjeni!

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: