Dispersione a ultrasuoni di nanomateriali (nanoparticelle)
I nanomateriali sono diventati un componente integrante di prodotti molto diversi tra loro, come materiali ad alte prestazioni, filtri solari, rivestimenti ad alte prestazioni o compositi plastici. La cavitazione ultrasonica viene utilizzata per disperdere particelle di dimensioni nanometriche in liquidi, come acqua, olio, solventi o resine.
Dispersione a ultrasuoni di nanoparticelle
L’applicazione della dispersione a ultrasuoni di nanoparticelle ha molteplici effetti. Il più evidente è la dispersione di materiali in liquidi per disgregare gli agglomerati di particelle. Un altro processo è l’applicazione degli ultrasuoni durante la sintesi o la precipitazione di particelle. In generale, ciò consente di ottenere particelle più piccole e una maggiore uniformità dimensionale. La cavitazione ultrasonica migliora anche il trasferimento di materia sulle superfici delle particelle. Questo effetto può essere utilizzato per migliorare la funzionalizzazione superficiale di materiali con un’elevata superficie specifica.
Dispersione e riduzione dimensionale dei nanomateriali
I nanomateriali, ad esempio ossidi metallici, nanoargille o nanotubi di carbonio , tendono ad agglomerarsi quando vengono miscelati in un liquido. Sono necessari metodi efficaci di deagglomerazione e dispersione per superare le forze di legame dopo la bagnatura della polvere. La disgregazione a ultrasuoni delle strutture degli agglomerati nelle sospensioni acquose e non acquose consente di sfruttare appieno il potenziale dei materiali di dimensioni nanometriche. Studi su diverse dispersioni di agglomerati di nanoparticelle con contenuto di solidi variabile hanno dimostrato il notevole vantaggio degli ultrasuoni rispetto ad altre tecnologie, come miscelatori rotore-statore (ad esempio ultra turrax), omogeneizzatori a pistone o metodi di macinazione a umido, ad esempio mulini a sfere o mulini colloidali. I sistemi a ultrasuoni Hielscher possono funzionare con concentrazioni di solidi piuttosto elevate. Ad esempio, per la silice è stato riscontrato che la velocità di disgregazione è indipendente dalla concentrazione di solidi fino al 50% in peso. Gli ultrasuoni possono essere utilizzati per la dispersione di masterbatch ad alta concentrazione – trattando liquidi a bassa e alta viscosità. Ciò rende gli ultrasuoni una valida soluzione di trattamento per pitture e rivestimenti a base di diversi mezzi, come acqua, resina o olio.
Omogeneizzatore a ultrasuoni UP400St per nanodispersioni
Cavitazione ultrasonica
La dispersione e la deagglomerazione mediante sonicazione sono il risultato della cavitazione ultrasonica. Quando i liquidi vengono esposti agli ultrasuoni, le onde sonore che si propagano nel liquido generano cicli alternati di alta e bassa pressione. Ciò esercita una sollecitazione meccanica sulle forze di attrazione tra le singole particelle. La cavitazione ultrasonica nei liquidi genera getti di liquido ad alta velocità, fino a 1000km/hr (circa 600mph). Questi getti spingono il liquido ad alta pressione tra le particelle, separandole le une dalle altre. Le particelle più piccole vengono accelerate dai getti di liquido e collidono ad alta velocità. Ciò rende gli ultrasuoni un mezzo efficace per la dispersione, ma anche per la macinazione di particelle di dimensioni micrometriche e submicrometriche.
Sintesi / precipitazione di particelle assistita da ultrasuoni
Le nanoparticelle possono essere generate con un approccio bottom-up mediante sintesi o precipitazione. La sonochimica è una delle prime tecniche utilizzate per preparare composti di dimensioni nanometriche. Nel suo lavoro originale, Suslick ha sottoposto a sonicazione Fe(CO)5 sia come liquido puro sia in una soluzione di deaclin, ottenendo nanoparticelle di ferro amorfo di dimensioni pari a 10–20nm. In generale, una miscela sovrasatura inizia a formare particelle solide a partire da un materiale altamente concentrato. La sonicazione migliora la miscelazione dei precursori e aumenta il trasferimento di massa sulla superficie delle particelle. Ciò porta a particelle più piccole e a una maggiore uniformità.
UIP2000hdT, un potente sonicatore da 2kW per disperdere gli SWCNT.
Funzionalizzazione superficiale mediante ultrasuoni
Molti nanomateriali, come ossidi metallici, inchiostri inkjet e pigmenti per toner, oppure cariche per rivestimenti ad alte prestazioni, richiedono una funzionalizzazione superficiale. Per funzionalizzare l’intera superficie di ogni singola particella è necessario un buon metodo di dispersione. Quando sono disperse, le particelle sono generalmente circondate da uno strato limite di molecole attratte dalla loro superficie. Affinché nuovi gruppi funzionali possano raggiungere la superficie delle particelle, questo strato limite deve essere disgregato o rimosso. I getti di liquido generati dalla cavitazione ultrasonica possono raggiungere velocità fino a 1000km/hr. Questa sollecitazione aiuta a superare le forze di attrazione e trasporta le molecole funzionali sulla superficie delle particelle. In sonochimica, questo effetto viene utilizzato per migliorare le prestazioni dei catalizzatori dispersi.
Sonicazione prima della misurazione delle dimensioni delle particelle
La sonicazione dei campioni migliora l’accuratezza della misurazione delle dimensioni o della morfologia delle particelle. Il nuovo SonoStep combina ultrasuoni, agitazione e pompaggio dei campioni in un dispositivo compatto. È facile da utilizzare e può essere impiegato per inviare campioni sonicati a dispositivi analitici, come gli analizzatori delle dimensioni delle particelle. La sonicazione intensa aiuta a disperdere le particelle agglomerate, consentendo di ottenere risultati più coerenti. Fai clic qui per saperne di più!
Trattamento a ultrasuoni su scala di laboratorio e di produzione
Sono disponibili processori a ultrasuoni e celle di flusso per la deagglomerazione e la dispersione su scala di laboratorio e di produzione . I sistemi industriali possono essere facilmente adattati per funzionare in linea. Per la ricerca e lo sviluppo dei processi consigliamo di utilizzare il UIP1000hd (1.000 watt).
Hielscher offre un’ampia gamma di dispositivi a ultrasuoni e accessori per la dispersione efficiente di nanomateriali, ad esempio in pitture, inchiostri e rivestimenti.
- Dispositivi da laboratorio compatti con una potenza fino a 400 watt.
Questi dispositivi vengono utilizzati principalmente per la preparazione dei campioni o per studi iniziali di fattibilità e sono disponibili a noleggio. - 500 e 1.000 e 2.000 watt, come il set UIP1000hd con cella di flusso e vari amplificatori meccanici di ampiezza e sonotrodi : questi processori a ultrasuoni possono trattare flussi di volume maggiore.
Dispositivi di questo tipo vengono utilizzati per ottimizzare i parametri (come ampiezza, pressione operativa, portata, ecc.) su scala da banco o di impianto pilota. - I processori a ultrasuoni da 2kW, 4kW, 10kW e 16kW e gruppi più grandi costituiti da più unità di questo tipo possono trattare flussi su scala di produzione praticamente di qualsiasi entità.
Le apparecchiature da banco sono disponibili a noleggio a condizioni vantaggiose per eseguire prove di processo. I risultati di queste prove possono essere trasferiti linearmente alla scala di produzione – riducendo i rischi e i costi dello sviluppo del processo. Saremo lieti di assisterti online, telefonicamente o di persona. Puoi trovare qui i nostri indirizzi, oppure utilizzare il modulo sottostante.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| Da 1 a 500mL | Da 10 a 200mL/min | UP100H |
| Da 10 a 2000mL | Da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| Da 0,1 a 20L | Da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| Da 10 a 100L | Da 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | Da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superiore | gruppo di UIP16000 |
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Nanomateriali – Informazioni di base
I nanomateriali sono materiali con dimensioni inferiori a 100nm. Il loro impiego nelle formulazioni di pitture, inchiostri e rivestimenti è in rapida crescita. I nanomateriali rientrano in tre grandi categorie: ossidi metallici, nanoargille e nanotubi di carbonio. Le nanoparticelle di ossidi metallici comprendono ossido di zinco, ossido di titanio, ossido di ferro, ossido di cerio e ossido di zirconio su scala nanometrica, oltre a composti di metalli misti come l’ossido di indio-stagno e zirconio e titanio, oltre a composti di metalli misti come l’ossido di indio-stagno. Questa materia di piccole dimensioni ha un impatto su molte discipline, come fisica, chimica e biologia. Nelle pitture e nei rivestimenti, i nanomateriali soddisfano esigenze decorative (ad esempio colore e brillantezza), svolgono funzioni specifiche (ad esempio conducibilità e inattivazione microbica) e migliorano la protezione (ad esempio resistenza ai graffi e stabilità ai raggi UV) delle pitture e dei rivestimenti. In particolare, gli ossidi metallici di dimensioni nanometriche, come TiO2 e ZnO o allumina, ossido di cerio e silice , e i pigmenti di dimensioni nanometriche trovano applicazione nelle nuove formulazioni di pitture e rivestimenti.
Quando le dimensioni della materia vengono ridotte, cambiano le sue caratteristiche, come il colore e l’interazione con altra materia, ad esempio la reattività chimica. Il cambiamento delle caratteristiche è causato dalla variazione delle proprietà elettroniche. Con la riduzione delle dimensioni delle particelle, aumenta la superficie del materiale. Di conseguenza, una percentuale maggiore degli atomi può interagire con altra materia, ad esempio con la matrice delle resine.
L’attività superficiale è un aspetto fondamentale dei nanomateriali. L’agglomerazione e l’aggregazione impediscono a una parte della superficie di entrare in contatto con altra materia. Solo particelle ben disperse o disperse singolarmente consentono di sfruttare appieno il potenziale benefico della materia. Di conseguenza, una buona dispersione riduce la quantità di nanomateriali necessaria per ottenere gli stessi effetti. Poiché la maggior parte dei nanomateriali è ancora piuttosto costosa, questo aspetto è molto importante per la commercializzazione di formulazioni di prodotti contenenti nanomateriali. Oggi molti nanomateriali vengono prodotti mediante un processo a secco. Di conseguenza, le particelle devono essere miscelate in formulazioni liquide. È in questa fase che la maggior parte delle nanoparticelle forma agglomerati durante la bagnatura. In particolare, i nanotubi di carbonio sono molto coesivi, il che rende difficile disperderli in liquidi come acqua, etanolo, olio, polimero o resina epossidica. I dispositivi di trattamento convenzionali, ad esempio miscelatori ad alto taglio o rotore-statore, omogeneizzatori ad alta pressione o mulini colloidali e a dischi, non riescono a separare adeguatamente le nanoparticelle in particelle distinte. In particolare, per la materia di piccole dimensioni, da diversi nanometri a un paio di micrometri, la cavitazione ultrasonica è molto efficace nella disgregazione di agglomerati, aggregati e persino particelle primarie. Quando gli ultrasuoni vengono utilizzati per la macinazione di lotti ad alta concentrazione, i getti di liquido generati dalla cavitazione ultrasonica fanno collidere le particelle tra loro a velocità fino a 1000km/h. Ciò supera le forze di van der Waals negli agglomerati e disgrega persino le particelle primarie.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.