Nanorészecskék megbízható diszpergálása ipari alkalmazásokhoz

A nagy teljesítményű ultrahangos kezelés hatékonyan és megbízhatóan képes felbontani a részecskeagglomerátumokat, sőt az elsődleges részecskéket is szétapríthatja. Kiváló diszpergálási teljesítményük miatt a szondás ultrahangos készülékeket előnyben részesítik homogén nanorészecske-szuszpenziók előállítására.

Nanorészecskék megbízható diszpergálása ultrahangos kezeléssel

Számos iparágban szükség van nanorészecskékkel töltött szuszpenziók előállítására. A nanorészecskék olyan szilárd anyagok, amelyek részecskemérete kisebb mint 100nm. Rendkívül kis részecskeméretüknek köszönhetően a nanorészecskék egyedi tulajdonságokkal rendelkeznek, például kivételes szilárdsággal, keménységgel, optikai jellemzőkkel, képlékenységgel, UV-állósággal, vezetőképességgel, elektromos és elektromágneses (EM) tulajdonságokkal, korrózióállósággal, karcállósággal és más rendkívüli jellemzőkkel.
A nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahang intenzív akusztikus kavitációt hoz létre, amelyet szélsőséges körülmények, például nyíróerők, igen nagy nyomás- és hőmérséklet-különbségek, valamint turbulencia jellemeznek. Ezek a kavitációs erők felgyorsítják a részecskéket, ami részecskék közötti ütközésekhez, majd a részecskék széttöréséhez vezet. Ennek eredményeként szűk részecskeméret-eloszlási görbével és egyenletes eloszlással rendelkező nanoszerkezetű anyagok keletkeznek.
Az ultrahangos diszpergálóberendezések bármilyen nanoanyag kezelésére alkalmasak vízben és szerves oldószerekben, alacsonytól igen magas viszkozitásig.

Szénnanocsövek ultrahangos diszpergálása

Az ultrahangos diszpergálóberendezéseket széles körben használják szénnanocsövek (CNT-k) diszpergálására. Az ultrahangos kezelés megbízható módszer az egyfalú szénnanocsövek (SWCNT-k), valamint a többfalú szénnanocsövek (MWCNT-k) összegabalyodásának megszüntetésére és diszpergálására. Például egy nagy vezetőképességű hőre lágyuló polimer előállításához nagy tisztaságú (> 95%) Nanocyl® 3100 szénnanocsöveket (MWCNT-k; külső átmérő 9,5 nm; tisztaság 95 +%) diszpergáltak ultrahanggal, Hielscher UP200S készülékkel, 30min. időtartamon át, szobahőmérsékleten. Az ultrahanggal diszpergált Nanocyl® 3100 MWCNT-k az epoxigyantában 1% w/w koncentráció mellett kiemelkedő, körülbelül 1,5 × 10-2 S /m vezetőképességet mutattak.

Nikkel-nanorészecskék ultrahangos diszpergálása

Nikkel-nanorészecskék sikeresen előállíthatók ultrahanggal segített hidrazinos redukciós szintézissel. A hidrazinos redukciós szintézis lehetővé teszi tiszta, gömb alakú fémes nikkel-nanorészecskék előállítását a nikkel-klorid hidrazinnal végzett kémiai redukciójával. Adám kutatócsoportja kimutatta, hogy az ultrahangos kezelés – a Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) készülékkel – képes volt az átlagos elsődleges krisztallitméretet (7–8 nm) az alkalmazott hőmérséklettől függetlenül fenntartani, míg az intenzív, rövidebb ultrahangos kezelési időszakok alkalmazása bármilyen felületaktív anyag nélkül 710 nm-ről 190 nm-re tudta csökkenteni a másodlagos, aggregált részecskék szolvodinamikai átmérőjét. A legnagyobb savasságot és katalitikus aktivitást az enyhe (30 W kimeneti teljesítményű), folyamatos ultrahangos kezeléssel előállított nanorészecskéknél mérték. A nanorészecskék katalitikus viselkedését Suzuki-Miyaura keresztkapcsolási reakcióban vizsgálták öt, hagyományos, illetve ultrahangos módszerrel előállított mintán. Az ultrahanggal előállított katalizátorok általában jobb teljesítményt nyújtottak, és a legnagyobb katalitikus aktivitást a kis teljesítményű (30 W), folyamatos ultrahangos kezeléssel előállított nanorészecskéknél mérték.
Az ultrahangos kezelés döntő hatással volt a nanorészecskék aggregációs hajlamára: az elpusztult kavitációs üregek defragmentáló hatása az erőteljes anyagátadással együtt képes volt legyőzni az elektrosztatikus vonzást, az elpusztult kavitációs üregek defragmentáló hatása az erőteljes anyagátadással együtt képes volt legyőzni a részecskék közötti elektrosztatikus vonzóerőket és van der Waals-erőket.
(vö. Adám et al. 2020)

Wollastonit-nanorészecskék ultrahangos szintézise

A wollastonit CaSiO3 kémiai képletű kalcium-inoszilikát ásvány A wollastonitot széles körben használják az építőiparban cement, üveg, tégla és csempe gyártásának összetevőjeként, az acélöntésben folyósítóanyagként, valamint bevonatok és festékek gyártásában adalékanyagként. A wollastonit például erősítést, keményítést, alacsony olajfelvételt és más javulásokat biztosít. A wollastonit kiváló erősítő tulajdonságainak eléréséhez elengedhetetlen a nanoméretű deagglomerálás és az egyenletes diszpergálás.
Dordane és Doroodmand (2021) tanulmányaikban kimutatták, hogy az ultrahangos diszpergálás igen fontos tényező, amely jelentősen befolyásolja a wollastonit-nanorészecskék méretét és morfológiáját. Az ultrahangos kezelés wollastonit-nanodiszpergáláshoz való hozzájárulásának értékelésére a kutatócsoport nagy teljesítményű ultrahang alkalmazásával és anélkül is szintetizált wollastonit-nanorészecskéket. Ultrahangos kezelési kísérleteikhez a kutatók az UP200H ultrahangos processzort (Hielscher Ultrasonics) használták 24 kHz frekvencián, 45,0 min. időtartamon át. Az ultrahangos nanodiszpergálás eredményei az alábbi nagy felbontású SEM-felvételen láthatók. A SEM-kép egyértelműen mutatja, hogy a wollastonitminta az ultrahangos kezelés előtt agglomerált és aggregált; az UP200H ultrahangos készülékkel végzett kezelés után a wollastonitrészecskék átlagos mérete körülbelül 10nm. A tanulmány bizonyítja, hogy az ultrahangos diszpergálás megbízható és hatékony technika wollastonit-nanorészecskék szintézisére. Az átlagos nanorészecskeméret az ultrahangos feldolgozás paramétereinek beállításával szabályozható.
(vö. Dordane és Doroodmand, 2021)

A wollastonit-nanorészecskék SEM-képei (A) az ultrahangos kezelés előtt és (B) az UP200H ultrahangos processzorral végzett, 45,0 min. időtartamú ultrahangos kezelés után.
Tanulmány és kép: ©Dordane és Doroodmand, 2021.

Nanotöltőanyagok ultrahangos diszpergálása

Az ultrahangos kezelés sokoldalú módszer nanotöltőanyagok diszpergálására és deagglomerálására folyadékokban és zagyokban, például polimerekben, epoxigyantákban, térhálósítókban, hőre lágyuló műanyagokban stb. Ezért az ultrahangos kezelést széles körben alkalmazzák rendkívül hatékony diszpergálási módszerként a kutatás-fejlesztésben és az ipari termelésben.
Zanghellini et al. (2021) a nanotöltőanyagok epoxigyantában történő ultrahangos diszpergálásának technikáját vizsgálták. Ki tudta mutatni, hogy az ultrahangos kezelés képes volt kis és nagy koncentrációjú nanotöltőanyagokat diszpergálni egy polimermátrixban.
Különböző összetételeket összehasonlítva a 0,5 wt% oxidált CNT mutatta a legjobb eredményeket az összes ultrahanggal kezelt minta közül: az agglomerátumok többségének méreteloszlása a háromhengeres malommal előállított mintákéhoz hasonló tartományba esett, jó kötődés alakult ki a térhálósítóhoz, valamint perkolációs hálózat képződött a diszperzión belül, ami az ülepedéssel szembeni stabilitásra, és ezáltal megfelelő hosszú távú stabilitásra utal. Nagyobb töltőanyag-mennyiségek hasonlóan jó eredményeket mutattak, ugyanakkor markánsabb belső hálózatok és valamivel nagyobb agglomerátumok is kialakultak. Még a szénnanoszálakat (CNF) is sikerült ultrahangos kezeléssel diszpergálni. Sikeresen megvalósították a nanotöltőanyagok közvetlen ultrahangos (US) diszpergálását a térhálósító rendszerekben további oldószerek nélkül, ezért ez alkalmazható módszernek tekinthető az egyszerű és közvetlen diszpergálásra, ipari felhasználási lehetőséggel. (vö. Zanghellini et al., 2021)
 

Térhálósítóban diszpergált különböző nanotöltőanyagok összehasonlítása (ultrahangos kezelés–US): (a) 0,5 wt% szénnanoszál (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% szénnanocső (CNT); (d) 0,5 wt% részlegesen diszpergált CNT.
(Tanulmány és kép: © Zanghellini et al., 2021)

Nanorészecskék ultrahangos diszpergálása – Tudományosan bizonyított fölény

Számos alapos kutatási tanulmány mutatja, hogy az ultrahangos diszpergálás az egyik kiemelkedő technika a nanorészecskék deagglomerálására és eloszlatására folyadékokban, még nagy koncentráció esetén is. Például Vikash (2020) nagy mennyiségű nanoszilícium-dioxid viszkózus folyadékokban történő diszpergálását vizsgálta a Hielscher UP400S ultrahangos diszpergálóberendezéssel. Tanulmányában arra a következtetésre jut, hogy „a nanorészecskék stabil és egyenletes diszpergálása ultrahangos készülék alkalmazásával nagy szilárdanyag-tartalom mellett is elérhető viszkózus folyadékokban.” [Vikash, 2020]

Nagy teljesítményű ultrahangos processzorok nanorészecskék diszpergálásához

A Hielscher Ultrasonics az Ön megbízható szállítója a megbízható, nagy teljesítményű ultrahangos berendezések terén, a laboratóriumi és kísérleti üzemi rendszerektől a teljes ipari rendszerekig. A Hielscher Ultrasonics készülékei fejlett hardverrel, intelligens szoftverrel és kiemelkedő felhasználóbarát működéssel rendelkeznek – tervezésük és gyártásuk Németországban történik. A Hielscher robusztus ultrahangos gépei diszpergáláshoz, deagglomeráláshoz, nanorészecskék szintéziséhez és funkcionalizálásához teljes terhelés mellett 24/7/365 üzemeltethetők. Az Ön eljárásától és gyártóüzemétől függően ultrahangos készülékeink szakaszos vagy folyamatos átfolyásos üzemmódban működtethetők. Különféle tartozékok, például szonotródák (ultrahangos szondák), amplitúdóerősítő kürtök, átfolyó cellák és reaktorok könnyen beszerezhetők.
Lépjen kapcsolatba velünk most, hogy további műszaki információkat, tudományos tanulmányokat, eljárásleírásokat és árajánlatot kapjon ultrahangos nanodiszpergáló rendszereinkről! Jól képzett, sokéves tapasztalattal rendelkező munkatársaink örömmel megbeszélik Önnel nanoalkalmazását!

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: