Reliable Nanoparticle Dispersion for Industrial Applications

Gli ultrasuoni ad alta potenza possono rompere in modo efficiente e affidabile gli agglomerati di particelle e persino disintegrare le particelle primarie. Grazie alle sue elevate prestazioni di dispersione, gli ultrasuonatori a sonda sono utilizzati come metodo preferito per creare sospensioni omogenee di nanoparticelle.

Dispersione affidabile delle nanoparticelle mediante ultrasuoni

Molti settori industriali richiedono la preparazione di sospensioni caricate con nanoparticelle. Le nanoparticelle sono solidi con dimensioni inferiori a 100 nm. Grazie alle minuscole dimensioni delle particelle, le nanoparticelle esprimono proprietà uniche come forza eccezionale, durezza, caratteristiche ottiche, duttilità, resistenza ai raggi UV, conduttività, proprietà elettriche ed elettromagnetiche (EM), anticorrosione, resistenza ai graffi e altre caratteristiche straordinarie.
Gli ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza creano un'intensa cavitazione acustica, caratterizzata da condizioni estreme come forze di taglio, differenziali di pressione e temperatura molto elevati e turbolenze. Queste forze cavitazionali accelerano le particelle provocando collisioni interparticellari e, di conseguenza, la loro frantumazione. Di conseguenza, si ottengono materiali nanostrutturati con una curva granulometrica stretta e una distribuzione uniforme.
Le apparecchiature di dispersione a ultrasuoni sono adatte a trattare qualsiasi tipo di nanomateriale in acqua e solventi organici, con viscosità da bassa a molto elevata.

Dispersione a ultrasuoni di nanotubi di carbonio

Ultrasonic dispersers are widely used for the purpose of dispersing carbon nanotubes (CNTs). Sonication is a reliable method to detangle and disperse single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as well as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). For instance, in order to produce a highly conductive thermoplastic polymer, high-purity (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; external diameter 9.5 nm; purity 95 +%) have been ultrasonically dispersed with the Hielscher UP200S for 30min. at room temperature. The ultrasonically dispersed Nanocyl® 3100 MWCNTs at a concentration of 1% w/w in the epoxy resin showed superior conductivity of approx. 1.5 × 10-2 S /m.

Dispersione a ultrasuoni di nanoparticelle di nichel

Le nanoparticelle di nichel possono essere prodotte con successo attraverso la sintesi di riduzione dell'idrazina assistita da ultrasuoni. La via di sintesi per riduzione dell'idrazina consente di preparare nanoparticelle di nichel metallico puro di forma sferica mediante riduzione chimica del cloruro di nichel con idrazina. Il gruppo di ricerca di Adám ha dimostrato che l'ultrasonicazione – utilizzando il Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – è stata in grado di mantenere una dimensione media dei cristalliti primari (7-8 nm) indipendentemente dalla temperatura applicata, mentre l'uso di periodi di sonicazione intensi e più brevi ha potuto ridurre i diametri solvodinamici delle particelle secondarie aggregate da 710 nm a 190 nm in assenza di qualsiasi tensioattivo. L'acidità e l'attività catalitica più elevate sono state misurate per le nanoparticelle preparate con un trattamento a ultrasuoni delicato (30 W di potenza) e continuo. Il comportamento catalitico delle nanoparticelle è stato testato in una reazione di cross-coupling Suzuki-Miyaura su cinque campioni preparati sia in modo convenzionale sia con gli ultrasuoni. I catalizzatori preparati con gli ultrasuoni hanno solitamente ottenuto risultati migliori e l'attività catalitica più elevata è stata misurata sulle nanoparticelle preparate con una sonicazione continua a bassa potenza (30 W).
Il trattamento a ultrasuoni ha avuto effetti cruciali sulla tendenza all'aggregazione delle nanoparticelle: l'influenza di deframmentazione dei vuoti di cavitazione distrutti con il vigoroso trasferimento di massa ha potuto superare l'attrazione elettrostatica dei vuoti di cavitazione distrutti con il vigoroso trasferimento di massa ha potuto superare l'attrazione elettrostatica e le forze di van der Waals tra le particelle.
(cfr. Adám et al. 2020)

Sintesi a ultrasuoni di nanoparticelle di wollastonite

La wollastonite è un minerale inosilicato di calcio con formula chimica CaSiO3 La wollastonite è ampiamente utilizzata come componente per la produzione di cemento, vetro, mattoni e piastrelle nell'industria delle costruzioni, come fondente nella fusione dell'acciaio e come additivo nella produzione di rivestimenti e vernici. Ad esempio, la wollastonite fornisce rinforzo, indurimento, basso assorbimento di olio e altri miglioramenti. Per ottenere eccellenti proprietà di rinforzo della wollastonite, sono essenziali la deagglomerazione su scala nanometrica e la dispersione uniforme.
Dordane e Doroodmand (2021) hanno dimostrato nei loro studi che la dispersione ultrasonica è un fattore molto importante che influenza in modo significativo le dimensioni e la morfologia delle nanoparticelle di wollastonite. Per valutare il contributo della sonicazione sulla nano-dispersione della wollastonite, il team di ricerca ha sintetizzato nanoparticelle di wollastonite con e senza l'applicazione di ultrasuoni ad alta potenza. Per le prove di sonicazione, i ricercatori hanno utilizzato il processore a ultrasuoni UP200H (Hielscher Ultrasonics) con una frequenza di 24 kHz per 45,0 minuti. I risultati della nano-dispersione a ultrasuoni sono mostrati nel SEM ad alta risoluzione qui sotto. L'immagine SEM mostra chiaramente che il campione di wollastonite prima del trattamento a ultrasuoni è agglomerato e aggregato; dopo la sonicazione con l'ultrasuonatore UP200H la dimensione media delle particelle di wollastonite è di circa 10 nm. Lo studio dimostra che la dispersione a ultrasuoni è una tecnica affidabile ed efficiente per sintetizzare nanoparticelle di wollastonite. La dimensione media delle nanoparticelle può essere controllata regolando i parametri del processo a ultrasuoni.
(cfr. Dordane e Doroodmand, 2021)

Immagini SEM delle nanoparticelle di wollastonite (A) prima e (B) dopo l'ultrasuonizzazione con il metodo processore a ultrasuoni UP200H per 45,0 min.
Studio e immagine: ©Dordane e Doroodmand, 2021.

Dispersione di nanofiller a ultrasuoni

La sonicazione è un metodo versatile per disperdere e deagglomerare i nanofiller nei liquidi e negli impasti, ad esempio polimeri, resine epossidiche, indurenti, termoplastici ecc. Pertanto, la sonificazione è ampiamente utilizzata come metodo di dispersione altamente efficiente in R&D e la produzione industriale.
Zanghellini et al. (2021) hanno studiato la tecnica di dispersione a ultrasuoni di nanofiller in resina epossidica. Ha potuto dimostrare che la sonicazione è in grado di disperdere piccole e alte concentrazioni di nanofiller in una matrice polimerica.
Confrontando le varie formulazioni, il CNT ossidato allo 0,5 wt% ha mostrato i risultati migliori di tutti i campioni sonicati, rivelando distribuzioni dimensionali della maggior parte degli agglomerati in un intervallo paragonabile a quello dei campioni prodotti con tre mulini a rulli, un buon legame con l'indurente, la formazione di una rete di percolazione all'interno della dispersione, che indica una stabilità contro la sedimentazione e quindi una corretta stabilità a lungo termine. Quantità maggiori di riempitivo hanno mostrato risultati altrettanto buoni, ma anche la formazione di reti interne più pronunciate e agglomerati un po' più grandi. Anche le nanofibre di carbonio (CNF) hanno potuto essere disperse con successo tramite sonicazione. La dispersione diretta negli Stati Uniti dei nanofiller nei sistemi indurenti senza solventi aggiuntivi è stata ottenuta con successo e può quindi essere considerata un metodo applicabile per una dispersione semplice e diretta con un potenziale per l'uso industriale. (cfr. Zanghellini et al., 2021)

Confronto tra diversi nanofiller dispersi nell'indurente mediante ultrasuoni a sonda): (a) 0,5 wt% di nanofibre di carbonio (CNF); (b) 0,5 wt% di CNToxid; (c) 0,5 wt% di nanotubi di carbonio (CNT); (d) 0,5 wt% di CNT semi-disperso.
Studio e immagine: ©Zanghellini et al., 2021

dispersione ultrasonica di nanoparticelle – Superiorità scientificamente provata

La ricerca dimostra in numerosi studi sofisticati che la dispersione a ultrasuoni è una delle tecniche superiori per deagglomerare e distribuire le nanoparticelle anche ad alta concentrazione nei liquidi. Ad esempio, Vikash (2020) ha studiato la dispersione di carichi elevati di nano-silice in liquidi viscosi utilizzando il dispersore a ultrasuoni Hielscher UP400S. Nel suo studio, giunge alla conclusione che "la dispersione stabile e uniforme delle nanoparticelle può essere ottenuta utilizzando un dispositivo di ultrasonicazione ad alto carico solido in liquidi viscosi." [Vikash, 2020]

Processori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la dispersione di nanoparticelle

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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: