Նանոմասնիկների հուսալի դիսպերգացում արդյունաբերական կիրառությունների համար

Բարձր հզորության ուլտրաձայնային մշակումը կարող է արդյունավետորեն և հուսալիորեն քայքայել մասնիկների ագլոմերատները և նույնիսկ տրոհել առաջնային մասնիկները։ Դիսպերգացման բարձր արդյունավետության շնորհիվ զոնդային ուլտրաձայնային սարքերն օգտագործվում են որպես համասեռ նանոմասնիկային սուսպենզիաներ ստանալու նախընտրելի մեթոդ։

Նանոմասնիկների հուսալի դիսպերգացում ուլտրաձայնային մշակմամբ

Արդյունաբերության բազմաթիվ ճյուղերում պահանջվում է նանոմասնիկներով հագեցած սուսպենզիաների պատրաստում։ Նանոմասնիկները պինդ նյութեր են, որոնց մասնիկների չափը փոքր է 100nm-ից։ Մասնիկների չափազանց փոքր չափի շնորհիվ նանոմասնիկներն ունեն եզակի հատկություններ, ինչպիսիք են բացառիկ ամրությունը, կարծրությունը, օպտիկական առանձնահատկությունները, պլաստիկությունը, ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման նկատմամբ կայունությունը, հաղորդունակությունը, էլեկտրական և էլեկտրամագնիսական (EM) հատկությունները, կոռոզիակայունությունը, քերծվածքների նկատմամբ դիմադրությունը և այլ արտասովոր բնութագրեր։
Բարձր ինտենսիվության, ցածր հաճախականության ուլտրաձայնը ստեղծում է ինտենսիվ ակուստիկ կավիտացիա, որը բնութագրվում է ծայրահեղ պայմաններով, ինչպիսիք են սահքի ուժերը, ճնշման և ջերմաստիճանի շատ մեծ տարբերությունները և տուրբուլենտությունը։ Կավիտացիոն այս ուժերն արագացնում են մասնիկները՝ առաջացնելով միջմասնիկային բախումներ և, հետևաբար, մասնիկների փշրում։ Արդյունքում ստացվում են նանոկառուցվածքային նյութեր՝ մասնիկների չափերի բաշխման նեղ կորով և համաչափ բաշխմամբ։
Ուլտրաձայնային դիսպերգացման սարքավորումները հարմար են ջրում և օրգանական լուծիչներում ցանկացած տեսակի նանոնյութերի մշակման համար՝ ցածրից մինչև շատ բարձր մածուցիկության պայմաններում։

Ածխածնային նանոխողովակների ուլտրաձայնային դիսպերգացում

Ուլտրաձայնային դիսպերգատորները լայնորեն օգտագործվում են ածխածնային նանոխողովակների (CNTs) դիսպերգացման նպատակով։ Ուլտրաձայնային մշակումը հուսալի մեթոդ է միապատ ածխածնային նանոխողովակների (SWCNTs), ինչպես նաև բազմապատ ածխածնային նանոխողովակների (MWCNTs) խճճվածքը բացելու և դրանք դիսպերգացնելու համար։ Օրինակ՝ բարձր հաղորդունակությամբ ջերմապլաստիկ պոլիմեր ստանալու համար բարձր մաքրության (> 95%) Nanocyl® 3100 նանոխողովակները (MWCNTs; արտաքին տրամագիծը՝ 9,5 nm; մաքրությունը՝ 95 +%) ուլտրաձայնով դիսպերգացվել են Hielscher UP200S սարքով՝ 30min. տևողությամբ, սենյակային ջերմաստիճանում։ Ուլտրաձայնով դիսպերգացված Nanocyl® 3100 MWCNTs նանոխողովակները էպօքսիդային խեժում 1% w/w կոնցենտրացիայի դեպքում ցուցաբերել են գերազանց հաղորդունակություն՝ մոտավորապես 1,5 × 10-2 S /m։

Նիկելի նանոմասնիկների ուլտրաձայնային դիսպերգացում

Նիկելի նանոմասնիկները կարող են հաջողությամբ ստացվել ուլտրաձայնի օժանդակությամբ հիդրազինային վերականգնման սինթեզի միջոցով։ Հիդրազինային վերականգնման սինթեզի եղանակը հնարավորություն է տալիս պատրաստել մաքուր մետաղական նիկելի գնդաձև նանոմասնիկներ՝ նիկելի քլորիդը հիդրազինով քիմիապես վերականգնելու միջոցով։ Adám հետազոտողի խումբը ցույց տվեց, որ ուլտրաձայնային մշակումը – հետևյալ սարքի օգտագործմամբ՝ Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – կարողացել է պահպանել առաջնային բյուրեղիկների միջին չափը (7–8 nm)՝ անկախ կիրառված ջերմաստիճանից, մինչդեռ ինտենսիվ և ավելի կարճատև ուլտրաձայնային մշակման ժամանակահատվածների կիրառումը կարող էր երկրորդային, ագրեգացված մասնիկների սոլվոդինամիկ տրամագծերը նվազեցնել 710 nm-ից մինչև 190 nm՝ առանց որևէ մակերևութային ակտիվ նյութի։ Ամենաբարձր թթվայնությունն ու կատալիտիկ ակտիվությունը չափվել են մեղմ (30 W ելքային հզորությամբ) և շարունակական ուլտրաձայնային մշակմամբ պատրաստված նանոմասնիկների համար։ Նանոմասնիկների կատալիտիկ վարքագիծը փորձարկվել է Սուզուկի–Միյաուրայի խաչաձև զուգակցման ռեակցիայում՝ ինչպես սովորական, այնպես էլ ուլտրաձայնային եղանակներով պատրաստված հինգ նմուշների վրա։ Ուլտրաձայնով պատրաստված կատալիզատորները սովորաբար ավելի լավ արդյունքներ են ցուցաբերել, իսկ ամենաբարձր կատալիտիկ ակտիվությունը չափվել է ցածր հզորությամբ (30 W) շարունակական ուլտրաձայնային մշակմամբ պատրաստված նանոմասնիկների վրա։
Ուլտրաձայնային մշակումը վճռորոշ ազդեցություն է ունեցել նանոմասնիկների ագրեգացման հակման վրա. քայքայված կավիտացիոն խոռոչների դեֆրագմենտացիոն ազդեցությունը՝ զանգվածի ինտենսիվ փոխանցման հետ միասին, կարող էր հաղթահարել քայքայված կավիտացիոն խոռոչների էլեկտրաստատիկ ձգողությունը՝ զանգվածի ինտենսիվ փոխանցման հետ միասին կարող էր հաղթահարել մասնիկների միջև գործող էլեկտրաստատիկ ձգողության և վան դեր Վաալսի ուժերը։
(հմմտ. Adám et al. 2020)

Վոլաստոնիտի նանոմասնիկների ուլտրաձայնային սինթեզ

Վոլաստոնիտը կալցիումի ինոսիլիկատային հանքանյութ է՝ CaSiO3 քիմիական բանաձևով Վոլաստոնիտը լայնորեն օգտագործվում է շինարարության ոլորտում՝ որպես ցեմենտի, ապակու, աղյուսի և սալիկի արտադրության բաղադրիչ, պողպատի ձուլման մեջ՝ որպես ֆլյուս, ինչպես նաև ծածկույթների և ներկերի արտադրության մեջ՝ որպես հավելանյութ։ Օրինակ՝ վոլաստոնիտն ապահովում է ամրացում, կարծրացում, յուղի ցածր կլանում և այլ բարելավումներ։ Վոլաստոնիտի գերազանց ամրացնող հատկությունները ստանալու համար էական են նանոմասշտաբային դեագլոմերացումը և համասեռ դիսպերգացումը։
Dordane և Doroodmand (2021) իրենց ուսումնասիրություններում ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնային դիսպերգացումը շատ կարևոր գործոն է, որը զգալիորեն ազդում է վոլաստոնիտի նանոմասնիկների չափի և մորֆոլոգիայի վրա։ Վոլաստոնիտի նանոդիսպերգացման մեջ ուլտրաձայնային մշակման ներդրումը գնահատելու համար հետազոտական խումբը սինթեզել է վոլաստոնիտի նանոմասնիկներ՝ բարձր հզորության ուլտրաձայնի կիրառմամբ և առանց դրա։ Ուլտրաձայնային մշակման փորձերի համար հետազոտողներն օգտագործել են UP200H ուլտրաձայնային պրոցեսորը (Hielscher Ultrasonics) 24 kHz հաճախականությամբ՝ 45,0 min տևողությամբ։ Ուլտրաձայնային նանոդիսպերգացման արդյունքները ներկայացված են ստորև բերված բարձր լուծաչափով սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակային (SEM) պատկերում։ SEM պատկերը հստակ ցույց է տալիս, որ ուլտրաձայնային մշակումից առաջ վոլաստոնիտի նմուշը ագլոմերացված և ագրեգացված է. UP200H ուլտրաձայնային սարքով մշակումից հետո վոլաստոնիտի մասնիկների միջին չափը մոտավորապես 10nm է։ Ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ ուլտրաձայնային դիսպերգացումը վոլաստոնիտի նանոմասնիկների սինթեզի հուսալի և արդյունավետ մեթոդ է։ Նանոմասնիկների միջին չափը կարելի է վերահսկել՝ կարգավորելով ուլտրաձայնային մշակման պարամետրերը։
(հմմտ. Dordane and Doroodmand, 2021)

Վոլաստոնիտի նանոմասնիկների SEM պատկերները՝ (A) ուլտրաձայնային մշակումից առաջ և (B) հետո՝ կիրառելով UP200H ուլտրաձայնային պրոցեսորը 45,0 min տևողությամբ։
Ուսումնասիրությունը և պատկերը՝ ©Dordane and Doroodmand, 2021.

Նանոլցանյութերի ուլտրաձայնային դիսպերգացում

Ուլտրաձայնային մշակումը բազմակողմանի մեթոդ է հեղուկներում և շլամներում, օրինակ՝ պոլիմերներում, էպօքսիդային խեժերում, կարծրացուցիչներում, ջերմապլաստներում և այլն, նանոլցանյութերը դիսպերսելու և ապաագլոմերացնելու համար։ Հետևաբար, ուլտրաձայնային մշակումը լայնորեն կիրառվում է որպես դիսպերսման բարձր արդյունավետությամբ մեթոդ գիտահետազոտական ու մշակման աշխատանքներում և արդյունաբերական արտադրությունում։
Zanghellini և համահեղինակները (2021) ուսումնասիրել են էպօքսիդային խեժում նանոլցանյութերի ուլտրաձայնային դիսպերսման տեխնիկան։ Նա կարողացել է ցույց տալ, որ ուլտրաձայնային մշակմամբ հնարավոր է պոլիմերային մատրիցում դիսպերսել նանոլցանյութեր՝ ցածր և բարձր կոնցենտրացիաներով։
Տարբեր բաղադրակազմերի համեմատության ժամանակ 0,5 wt% օքսիդացված CNT պարունակող նմուշը ցույց է տվել լավագույն արդյունքները բոլոր ուլտրաձայնով մշակված նմուշների մեջ՝ ցուցաբերելով ագլոմերատների մեծ մասի չափերի բաշխումներ, որոնց տիրույթը համադրելի էր եռագլան աղացով պատրաստված նմուշների համապատասխան տիրույթի հետ, լավ կապակցում կարծրացուցիչի հետ և դիսպերսիայի ներսում պերկոլյացիոն ցանցի ձևավորում, ինչը վկայում է նստվածքագոյացման նկատմամբ կայունության և, հետևաբար, պատշաճ երկարաժամկետ կայունության մասին։ Լցանյութի ավելի մեծ քանակները ցույց են տվել նմանապես լավ արդյունքներ, բայց նաև ավելի արտահայտված ներքին ցանցերի, ինչպես նաև որոշ չափով ավելի խոշոր ագլոմերատների ձևավորում։ Նույնիսկ ածխածնային նանոմանրաթելերը (CNF) հնարավոր է եղել հաջողությամբ դիսպերսել ուլտրաձայնային մշակմամբ։ Հաջողությամբ իրականացվել է նանոլցանյութերի ուղղակի ուլտրաձայնային (US) դիսպերսում կարծրացուցիչային համակարգերում՝ առանց լրացուցիչ լուծիչների, ուստի այն կարելի է համարել պարզ և անմիջական դիսպերսման համար կիրառելի մեթոդ՝ արդյունաբերական օգտագործման ներուժով։ (տե՛ս Zanghellini et al., 2021)
 

Կարծրացուցիչում դիսպերսված տարբեր նանոլցանյութերի համեմատություն (ուլտրաձայնային մշակում–US). (a) 0,5 wt% ածխածնային նանոմանրաթել (CNF), (b) 0,5 wt% CNToxi, (c) 0,5 wt% ածխածնային նանոխողովակ (CNT), (d) 0,5 wt% մասամբ դիսպերսված CNT։
(Ուսումնասիրությունը և պատկերը՝ © Zanghellini et al., 2021)

Նանոմասնիկների ուլտրաձայնային դիսպերսում – գիտականորեն ապացուցված գերազանցություն

Բազմաթիվ մանրակրկիտ հետազոտություններ ցույց են տալիս, որ ուլտրաձայնային դիսպերսումը նանոմասնիկների ապաագլոմերացման և բաշխման առավել արդյունավետ տեխնիկաներից մեկն է նույնիսկ հեղուկներում բարձր կոնցենտրացիաների դեպքում։ Օրինակ՝ Vikash (2020) ուսումնասիրել է նանոսիլիկահողի մեծ պարունակությամբ դիսպերսումը մածուցիկ հեղուկներում՝ օգտագործելով Hielscher ընկերության UP400S ուլտրաձայնային դիսպերսատորը։ Իր ուսումնասիրությունում նա հանգում է այն եզրակացությանը, որ «մածուցիկ հեղուկներում պինդ նյութի բարձր պարունակության դեպքում նանոմասնիկների կայուն և համասեռ դիսպերսիա կարելի է ստանալ՝ օգտագործելով ուլտրաձայնային մշակման սարք»։ [Vikash, 2020]

Բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային պրոցեսորներ՝ նանոմասնիկների դիսպերսման համար

Hielscher Ultrasonics ընկերությունը հուսալի և բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքավորումների ձեր վստահելի մատակարարն է՝ լաբորատոր և փորձնական համակարգերից մինչև ամբողջությամբ արդյունաբերական համակարգեր։ Hielscher Ultrasonics ընկերության սարքերն առանձնանում են կատարելագործված ապարատային ապահովմամբ, խելացի ծրագրային ապահովմամբ և օգտագործման բացառիկ հարմարավետությամբ. դրանք նախագծվում և արտադրվում են Գերմանիայում։ Hielscher ընկերության ամուր ուլտրաձայնային սարքերը, որոնք նախատեսված են դիսպերսման, ապաագլոմերացման, նանոմասնիկների սինթեզի և ֆունկցիոնալացման համար, կարող են աշխատել 24/7/365՝ լրիվ բեռնվածությամբ։ Կախված ձեր գործընթացից և արտադրական օբյեկտից՝ մեր ուլտրաձայնային սարքերը կարող են աշխատել խմբաքանակային կամ անընդհատ ներհոսքային ռեժիմով։ Տարբեր պարագաներ, ինչպիսիք են սոնոտրոդները (ուլտրաձայնային զոնդերը), ամպլիտուդի ուժեղացուցիչները, հոսքային բջիջները և ռեակտորները, հասանելի են անմիջապես։
Կապվեք մեզ հետ հիմա՝ մեր ուլտրաձայնային նանոդիսպերսման համակարգերի վերաբերյալ լրացուցիչ տեխնիկական տեղեկություններ, գիտական ուսումնասիրություններ, ընթացակարգեր և գնային առաջարկ ստանալու համար։ Մեր լավ պատրաստված և երկարամյա փորձ ունեցող աշխատակիցները սիրով ձեզ հետ կքննարկեն ձեր նանոտեխնոլոգիական կիրառությունը։

Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մշակման մոտավոր արտադրողականության մասին.