Ultrasonic Dispersion of Nanomaterials (Nanoparticles)
I nanomateriali sono diventati parte integrante di prodotti diversi come i materiali ad alte prestazioni, le creme solari, i rivestimenti performanti o i compositi plastici. La cavitazione a ultrasuoni viene utilizzata per disperdere particelle di dimensioni nanometriche in liquidi come acqua, olio, solventi o resine.
dispersione ultrasonica di nanoparticelle
L'applicazione di dispersione ultrasonica di nanoparticelle ha molteplici effetti. Il più evidente è la dispersione di materiali nei liquidi per rompere gli agglomerati di particelle. Un altro processo è l'applicazione di ultrasuoni durante sintesi o precipitazione di particelle. In generale, questo porta a particelle più piccole e a una maggiore uniformità dimensionale. Cavitazione ad ultrasuoni migliora il trasferimento di materiale anche sulla superficie delle particelle. Questo effetto può essere sfruttato per migliorare la superficie funzionalizzazione di materiali con un'elevata area superficiale specifica.
Dispersione e riduzione dimensionale dei nanomateriali
Nanomateriali, ad esempio ossidi metallici, nanoclay o nanotubi di carbonio tendono ad agglomerarsi quando vengono mescolati in un liquido. I mezzi efficaci per deagglomerare e la dispersione sono necessari per superare le forze di legame dopo aver bagnato la polvere. La rottura ad ultrasuoni delle strutture agglomerate in sospensioni acquose e non acquose consente di sfruttare appieno il potenziale dei materiali di dimensioni nanometriche. Le indagini su varie dispersioni di agglomerati nanoparticellati con un contenuto solido variabile hanno dimostrato il notevole vantaggio degli ultrasuoni rispetto ad altre tecnologie, come i miscelatori a statore rotante (ad es. ultra turrax), gli omogeneizzatori a pistone o i metodi di macinazione a umido, ad es. mulini a perle o mulini a colloide. I sistemi a ultrasuoni Hielscher possono essere utilizzati con concentrazioni di solidi piuttosto elevate. Ad esempio, per Silice il tasso di rottura è risultato indipendente dalla concentrazione di solidi fino al 50%. in peso. Gli ultrasuoni possono essere applicati per la dispersione di master-batch ad alta concentrazione - lavorando liquidi a bassa e alta viscosità. Ciò rende gli ultrasuoni una buona soluzione di lavorazione per vernici e rivestimenti, a base di diversi fluidi, come acqua, resina o olio.
Omogeneizzatore a ultrasuoni UP400St per le nano-dispersioni
Cavitazione ad ultrasuoni
La dispersione e la deagglomerazione mediante ultrasuoni sono il risultato della cavitazione ultrasonica. Quando si espongono i liquidi agli ultrasuoni, le onde sonore che si propagano nel liquido provocano cicli alternati di alta e bassa pressione. In questo modo si applica uno stress meccanico alle forze di attrazione tra le singole particelle. Cavitazione ad ultrasuoni nei liquidi provoca getti di liquido ad alta velocità, fino a 1000 km/ora (circa 600 miglia orarie). Questi getti spingono il liquido ad alta pressione tra le particelle e le separano l'una dall'altra. Le particelle più piccole vengono accelerate dai getti di liquido e si scontrano ad alta velocità. Questo rende gli ultrasuoni un mezzo efficace per la dispersione ma anche per la fresatura di particelle di dimensioni micron e submicron.
Sintesi/precipitazione di particelle assistita da ultrasuoni
Le nanoparticelle possono essere generate dal basso verso l'alto per sintesi o precipitazione. La sonochimica è una delle prime tecniche utilizzate per preparare composti di dimensioni nanometriche. Suslick, nel suo lavoro originale, ha sonicato Fe(CO)5 sia come liquido puro che in una soluzione di deaclinizzazione e si sono ottenute nanoparticelle di ferro amorfo della dimensione di 10-20 nm. In genere, una miscela supersatura avvia la formazione di particelle solide da un materiale altamente concentrato. Gli ultrasuoni migliorano la miscelazione dei precursori e aumentano il trasferimento di massa sulla superficie delle particelle. Questo porta a particelle di dimensioni ridotte e a una maggiore uniformità.
UIP2000hdTun potente ultrasuonatore da 2 kW per disperdere le SWCNT.
Funzionalizzazione delle superfici con gli ultrasuoni
Molti nanomateriali, come gli ossidi metallici, inchiostro a getto d'inchiostro pigmenti e toner, o riempitivi per le prestazioni rivestimentirichiedono la funzionalizzazione della superficie. Per funzionalizzare l'intera superficie di ogni singola particella, è necessario un buon metodo di dispersione. Quando sono disperse, le particelle sono tipicamente circondate da uno strato limite di molecole attratte dalla superficie della particella. Affinché nuovi gruppi funzionali possano raggiungere la superficie delle particelle, questo strato limite deve essere rotto o rimosso. I getti di liquido risultanti dalla cavitazione a ultrasuoni possono raggiungere velocità fino a 1000 km/ora. Questa sollecitazione aiuta a superare le forze di attrazione e trasporta le molecole funzionali sulla superficie delle particelle. In sicochimicaQuesto effetto viene sfruttato per migliorare le prestazioni dei catalizzatori dispersi.
Ultrasuoni prima della misurazione delle dimensioni delle particelle
L'ultrasuonizzazione dei campioni migliora l'accuratezza delle misure granulometriche o morfologiche. Il nuovo SonoStep combina ultrasuoni, agitazione e pompaggio dei campioni in un design compatto. È facile da usare e può essere utilizzato per consegnare i campioni sonicati ai dispositivi analitici, come gli analizzatori granulometrici. L'intensa sonicazione aiuta a disperdere le particelle agglomerate e a ottenere risultati più coerenti.Click here to read more!
Trattamento a ultrasuoni per laboratorio e produzione
I processori a ultrasuoni e le celle di flusso per la deagglomerazione e la dispersione sono disponibili per Laboratorio e produzione livello. I sistemi industriali possono essere facilmente adattati per lavorare in linea. Per la ricerca e lo sviluppo dei processi si consiglia di utilizzare il sistema UIP1000hd (1.000 watt).
Hielscher offre un'ampia gamma di dispositivi e accessori a ultrasuoni per la dispersione efficiente di nanomateriali, ad esempio in vernici, inchiostri e rivestimenti.
- Dispositivi di laboratorio compatti fino a 400 watt di potenza.
Questi dispositivi sono 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 i processori a ultrasuoni Set UIP1000hd con cella a flusso e vari corni di richiamo e sonotrodi possono elaborare flussi di volume maggiore.
Dispositivi di questo tipo sono utilizzati per l'ottimizzazione dei parametri (come ampiezza, pressione operativa, portata ecc.) su scala di banco o di impianto pilota. - Processori a ultrasuoni di 2kW, 4kW, 10kW e 16kW e i cluster più grandi, composti da diverse unità di questo tipo, possono elaborare flussi di volumi di produzione a quasi tutti i livelli.
È possibile noleggiare apparecchiature da banco a buone condizioni per eseguire prove di processo. I risultati di tali prove possono essere scalati linearmente fino al livello di produzione, riducendo i rischi e i costi legati allo sviluppo del processo. Saremo lieti di assistervi online, al telefono o di persona. Per favore, trovate i nostri indirizzi qui, oppure utilizzare il modulo sottostante.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdt |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Nanomateriali – Informazioni di base
I nanomateriali sono materiali di dimensioni inferiori a 100 nm. Stanno entrando rapidamente nelle formulazioni di vernici, inchiostri e rivestimenti. I nanomateriali si suddividono in tre grandi categorie: ossidi metallici, nanoclay e nanotubi di carbonio. Le nanoparticelle di ossido di metallo comprendono ossido di zinco, ossido di titanio, ossido di ferro, ossido di cerio e ossido di zirconio su scala nanometrica, nonché composti di metalli misti come l'ossido di indio-stagno e l'ossido di zirconio e titanio, nonché composti di metalli misti come l'ossido di indio-stagno. Questa piccola materia ha un impatto su molte discipline, come la fisica, Chimica e biologia. Nelle vernici e nei rivestimenti i nanomateriali soddisfano esigenze decorative (ad esempio, colore e brillantezza), funzionali (ad esempio, conduttività, inattivazione microbica) e migliorano la protezione (ad esempio, resistenza ai graffi, stabilità ai raggi UV) di vernici e rivestimenti. In particolare, gli ossidi metallici di dimensioni nanometriche, come TiO2 e ZnO o Alumina, Ceria e Silice e pigmenti di dimensioni nanometriche trovano applicazione in nuove formulazioni di vernici e rivestimenti.
Quando la materia si riduce di dimensioni, cambia le sue caratteristiche, come il colore e l'interazione con altre materie, come la reattività chimica. Il cambiamento delle caratteristiche è causato dalla modifica delle proprietà elettroniche. Con la Riduzione delle dimensioni delle particelleL'area superficiale del materiale aumenta. In questo modo, una percentuale maggiore di atomi può interagire con altri materiali, ad esempio con la matrice delle resine.
L'attività superficiale è un aspetto fondamentale dei nanomateriali. L'agglomerazione e l'aggregazione bloccano la superficie dal contatto con altri materiali. Solo particelle ben disperse o singole permettono di utilizzare tutto il potenziale benefico della materia. Di conseguenza, una buona dispersione riduce la quantità di nanomateriali necessari per ottenere gli stessi effetti. Poiché la maggior parte dei nanomateriali è ancora piuttosto costosa, questo aspetto è di grande importanza per la commercializzazione di formulazioni di prodotti contenenti nanomateriali. Oggi, molti nanomateriali sono prodotti con un processo a secco. Di conseguenza, le particelle devono essere miscelate in formulazioni liquide. In questo caso, la maggior parte delle nanoparticelle forma agglomerati durante la bagnatura. In particolare nanotubi di carbonio sono molto coesivi, il che rende difficile la loro dispersione in liquidi come acqua, etanolo, olio, polimeri o resina epossidica. I dispositivi di trattamento convenzionali, ad esempio i miscelatori ad alto taglio o a rotore-statore, gli omogeneizzatori ad alta pressione o i mulini a colloide e a disco, non sono in grado di separare le nanoparticelle in particelle discrete. In particolare, per le piccole particelle da alcuni nanometri a un paio di micron, la cavitazione ultrasonica è molto efficace nel rompere agglomerati, aggregati e persino primari. Quando gli ultrasuoni vengono utilizzati per fresatura di lotti ad alta concentrazione, i getti di liquido risultanti dalla cavitazione a ultrasuoni fanno scontrare le particelle tra loro a velocità fino a 1000km/h. Questo rompe le forze di van der Waals negli agglomerati e persino nelle particelle primarie.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.