Dispersi Nanopartikel yang Andal untuk Aplikasi Industri

Ultrasonikasi berdaya tinggi dapat memecah aglomerat partikel secara efisien dan andal, bahkan mendisintegrasi partikel primer. Berkat kinerja dispersinya yang tinggi, sonikator ultrasonik tipe probe digunakan sebagai metode pilihan untuk menghasilkan suspensi nanopartikel yang homogen.

Dispersi Nanopartikel yang Andal melalui Ultrasonikasi

Banyak industri memerlukan pembuatan suspensi yang mengandung nanopartikel. Nanopartikel adalah padatan dengan ukuran partikel kurang dari 100nm. Karena ukurannya yang sangat kecil, nanopartikel memiliki sifat unik seperti kekuatan luar biasa, kekerasan, karakteristik optik, keuletan, ketahanan terhadap UV, konduktivitas, sifat listrik dan elektromagnetik (EM), ketahanan terhadap korosi, ketahanan terhadap goresan, serta karakteristik luar biasa lainnya.
Ultrasonik berintensitas tinggi dan berfrekuensi rendah menghasilkan kavitasi akustik yang kuat, yang dicirikan oleh kondisi ekstrem seperti gaya geser, perbedaan tekanan dan suhu yang sangat tinggi, serta turbulensi. Gaya kavitasi ini mempercepat partikel sehingga menyebabkan tumbukan antarpartikel dan akibatnya menghancurkan partikel. Hasilnya adalah material berstruktur nano dengan kurva ukuran partikel yang sempit dan distribusi yang seragam.
Peralatan pendispersi ultrasonik cocok untuk mengolah segala jenis nanomaterial dalam air dan pelarut organik, dengan viskositas rendah hingga sangat tinggi.

Dispersi Ultrasonik Tabung Nano Karbon

Perangkat pendispersi ultrasonik banyak digunakan untuk mendispersikan tabung nano karbon (CNT). Sonikasi merupakan metode yang andal untuk mengurai belitan dan mendispersikan tabung nano karbon berdinding tunggal (SWCNT) maupun tabung nano karbon berdinding banyak (MWCNT). Misalnya, untuk menghasilkan polimer termoplastik dengan konduktivitas tinggi, Nanocyl® 3100 dengan kemurnian tinggi (> 95%) (MWCNT; diameter luar 9,5 nm; kemurnian 95 +%) telah didispersikan secara ultrasonik menggunakan Hielscher UP200S selama 30min. pada suhu ruang. MWCNT Nanocyl® 3100 yang didispersikan secara ultrasonik pada konsentrasi 1% w/w dalam resin epoksi menunjukkan konduktivitas unggul sekitar 1,5 × 10-2 S /m.

Dispersi Ultrasonik Nanopartikel Nikel

Nanopartikel nikel dapat berhasil diproduksi melalui sintesis reduksi hidrazin berbantuan ultrasonik. Jalur sintesis reduksi hidrazin memungkinkan pembuatan nanopartikel logam nikel murni berbentuk bola melalui reduksi kimia nikel klorida dengan hidrazin. Kelompok penelitian Adám menunjukkan bahwa ultrasonikasi – menggunakan Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – mampu mempertahankan ukuran kristalit primer rata-rata (7–8 nm) terlepas dari suhu yang diterapkan, sedangkan penggunaan sonikasi yang intens dengan durasi lebih singkat dapat mengurangi diameter solvodinamik partikel sekunder yang teragregasi dari 710 nm menjadi 190 nm tanpa surfaktan apa pun. Keasaman dan aktivitas katalitik tertinggi diukur pada nanopartikel yang dibuat dengan perlakuan ultrasonik ringan (daya keluaran 30 W) dan kontinu. Perilaku katalitik nanopartikel diuji dalam reaksi kopling silang Suzuki-Miyaura pada lima sampel yang dibuat dengan cara konvensional maupun ultrasonik. Katalis yang dibuat secara ultrasonik umumnya menunjukkan kinerja lebih baik, dan aktivitas katalitik tertinggi diukur pada nanopartikel yang dibuat dengan sonikasi kontinu berdaya rendah (30 W).
Perlakuan ultrasonik memiliki pengaruh penting terhadap kecenderungan agregasi nanopartikel: pengaruh defragmentasi dari rongga kavitasi yang hancur dengan perpindahan massa yang kuat dapat mengatasi tarikan elektrostatik dari rongga kavitasi yang hancur dengan perpindahan massa yang kuat dapat mengatasi gaya tarik elektrostatik dan van der Waals antarpartikel.
(lih. Adám et al. 2020)

Sintesis Ultrasonik Nanopartikel Wollastonit

Wollastonit adalah mineral kalsium inosilikat dengan rumus kimia CaSiO3. Wollastonit banyak digunakan sebagai komponen untuk produksi semen, kaca, batu bata, dan ubin dalam industri konstruksi, sebagai fluks dalam pengecoran baja, serta sebagai aditif dalam pembuatan pelapis dan cat. Misalnya, wollastonit memberikan penguatan, pengerasan, penyerapan minyak yang rendah, dan peningkatan lainnya. Untuk memperoleh sifat penguat wollastonit yang sangat baik, deaglomerasi berskala nano dan dispersi yang seragam sangat diperlukan.
Dordane dan Doroodmand (2021) menunjukkan dalam penelitian mereka bahwa dispersi ultrasonik merupakan faktor yang sangat penting yang secara signifikan memengaruhi ukuran dan morfologi nanopartikel wollastonit. Untuk mengevaluasi kontribusi sonikasi terhadap dispersi nano wollastonit, tim peneliti menyintesis nanopartikel wollastonit dengan dan tanpa penerapan ultrasonik berdaya tinggi. Untuk percobaan sonikasi, para peneliti menggunakan prosesor ultrasonik UP200H (Hielscher Ultrasonics) dengan frekuensi 24 kHz selama 45,0 min. Hasil dispersi nano ultrasonik ditampilkan pada citra SEM beresolusi tinggi di bawah ini. Citra SEM menunjukkan dengan jelas bahwa sampel wollastonit sebelum perlakuan ultrasonik mengalami aglomerasi dan agregasi; setelah sonikasi dengan sonikator ultrasonik UP200H, ukuran rata-rata partikel wollastonit sekitar 10nm. Penelitian ini menunjukkan bahwa dispersi ultrasonik merupakan teknik yang andal dan efisien untuk menyintesis nanopartikel wollastonit. Ukuran rata-rata nanopartikel dapat dikendalikan dengan menyesuaikan parameter pemrosesan ultrasonik.
(lih. Dordane dan Doroodmand, 2021)

Citra SEM nanopartikel wollastonit (A) sebelum dan (B) setelah ultrasonikasi menggunakan prosesor ultrasonik UP200H selama 45,0 min.
Penelitian dan gambar: ©Dordane dan Doroodmand, 2021.

Dispersi Ultrasonik Bahan Pengisi Nano

Sonikasi merupakan metode serbaguna untuk mendispersikan dan mendeaglomerasi bahan pengisi nano dalam cairan dan bubur, misalnya polimer, resin epoksi, bahan pengeras, termoplastik, dan sebagainya. Oleh karena itu, sonikasi banyak digunakan sebagai metode dispersi yang sangat efisien dalam penelitian dan pengembangan serta produksi industri.
Zanghellini et al. (2021) meneliti teknik dispersi ultrasonik untuk bahan pengisi nano dalam resin epoksi. Ia berhasil menunjukkan bahwa sonikasi mampu mendispersikan bahan pengisi nano dengan konsentrasi rendah maupun tinggi ke dalam matriks polimer.
Dalam perbandingan berbagai formulasi, CNT teroksidasi 0,5 wt% menunjukkan hasil terbaik dari semua sampel yang disonikasi, dengan distribusi ukuran sebagian besar aglomerat dalam rentang yang sebanding dengan sampel yang dihasilkan menggunakan penggiling tiga rol, pengikatan yang baik pada bahan pengeras, serta pembentukan jaringan perkolasi di dalam dispersi, yang mengindikasikan kestabilan terhadap sedimentasi dan dengan demikian kestabilan jangka panjang yang baik. Jumlah bahan pengisi yang lebih tinggi menunjukkan hasil yang sama baiknya, tetapi juga membentuk jaringan internal yang lebih nyata serta aglomerat yang agak lebih besar. Bahkan serat nano karbon (CNF) dapat berhasil didispersikan melalui sonikasi. Dispersi ultrasonik (US) langsung bahan pengisi nano dalam sistem bahan pengeras tanpa pelarut tambahan berhasil dicapai, sehingga dapat dipandang sebagai metode yang dapat diterapkan untuk dispersi yang sederhana dan mudah dengan potensi penggunaan industri. (lih. Zanghellini et al., 2021)
 

Perbandingan berbagai bahan pengisi nano yang didispersikan dalam bahan pengeras (ultrasonikasi–US): (a) 0,5 wt% serat nano karbon (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% tabung nano karbon (CNT); (d) 0,5 wt% CNT yang terdispersi sebagian.
(Penelitian dan gambar: © Zanghellini et al., 2021)

Dispersi Ultrasonik Nanopartikel – Keunggulan yang Terbukti secara Ilmiah

Berbagai penelitian canggih menunjukkan bahwa dispersi ultrasonik merupakan salah satu teknik unggul untuk mendeaglomerasi dan mendistribusikan nanopartikel bahkan pada konsentrasi tinggi dalam cairan. Misalnya, Vikash (2020) meneliti dispersi nanosilika berkadar tinggi dalam cairan kental menggunakan perangkat pendispersi ultrasonik Hielscher UP400S. Dalam penelitiannya, ia menyimpulkan bahwa “dispersi nanopartikel yang stabil dan seragam dapat dicapai menggunakan perangkat ultrasonikasi pada kadar padatan tinggi dalam cairan kental.” [Vikash, 2020]

Prosesor Ultrasonik Berkinerja Tinggi untuk Dispersi Nanopartikel

Hielscher Ultrasonics adalah pemasok tepercaya Anda untuk peralatan ultrasonik berkinerja tinggi yang andal, mulai dari sistem laboratorium dan percontohan hingga sistem industri penuh. Perangkat Hielscher Ultrasonics dilengkapi perangkat keras canggih, perangkat lunak cerdas, dan kemudahan penggunaan yang luar biasa – dirancang dan diproduksi di Jerman. Mesin ultrasonik Hielscher yang tangguh untuk dispersi, deaglomerasi, sintesis nanopartikel, dan fungsionalisasi dapat dioperasikan 24/7/365 pada beban penuh. Bergantung pada proses dan fasilitas produksi Anda, sonikator ultrasonik kami dapat dijalankan dalam mode batch atau in-line kontinu. Berbagai aksesori seperti sonotrode (probe ultrasonik), horn penguat, sel alir, dan reaktor tersedia dengan mudah.
Hubungi kami sekarang untuk mendapatkan informasi teknis lebih lanjut, penelitian ilmiah, protokol, dan penawaran harga untuk sistem dispersi nano ultrasonik kami! Staf kami yang terlatih dengan baik dan berpengalaman panjang akan dengan senang hati mendiskusikan aplikasi nano Anda bersama Anda!

Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator ultrasonik kami: