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 prestazioni di dispersione ad alte prestazioni, gli ultrasuoni di tipo sonda sono utilizzati come metodo preferito per creare sospensioni omogenee di nanoparticelle.

Dispersione affidabile di nanoparticelle tramite ultrasuoni

Molte industrie richiedono la preparazione di sospensioni, che sono cariche di nanoparticelle. Le nanoparticelle sono solidi con una dimensione delle particelle inferiore a 100 nm. A causa della minuscola dimensione delle particelle, le nanoparticelle esprimono proprietà uniche come la forza eccezionale, la durezza, le caratteristiche ottiche, la duttilità, la resistenza ai raggi UV, la conduttività, le proprietà elettriche ed elettromagnetiche (EM), l'anticorrosività, la resistenza ai graffi e altre caratteristiche straordinarie.
Gli ultrasuoni ad alta intensità e a bassa frequenza creano un'intensa cavitazione acustica, che è caratterizzata da condizioni estreme come forze di taglio, differenziali di pressione e temperatura molto alti e turbolenze. Queste forze cavitazionali accelerano le particelle causando collisioni interparticellari e di conseguenza la frantumazione delle particelle. Di conseguenza, si ottengono materiali nanostrutturati con una curva delle dimensioni delle particelle stretta e una distribuzione uniforme.
L'attrezzatura di dispersione a ultrasuoni è adatta a trattare qualsiasi tipo di nanomateriali in acqua e solventi organici, con viscosità da basse a molto alte.

Dispersione ultrasonica di nanotubi di carbonio

I disperditori a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati per disperdere i nanotubi di carbonio (CNT). La sonicazione è un metodo affidabile per districare e disperdere i nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) e i nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT). Per esempio, per produrre un polimero termoplastico altamente conduttivo, il Nanocyl® 3100 (MWCNTs; diametro esterno 9,5 nm; purezza 95+%) di elevata purezza (> 95%) è stato disperso ad ultrasuoni con la Hielscher UP200S per 30 minuti a temperatura ambiente. I MWCNTs Nanocyl® 3100 dispersi ad ultrasuoni ad una concentrazione dell'1% w/w nella resina epossidica hanno mostrato una conduttività superiore di circa 1,5 × 10-2 S /m.

Dispersione ultrasonica di nanoparticelle di nichel

Le nanoparticelle di nichel possono essere prodotte con successo tramite la sintesi di riduzione dell'idrazina ad ultrasuoni. Il percorso di sintesi di riduzione dell'idrazina permette di preparare nanoparticelle di nichel metallico puro di forma sferica attraverso la riduzione chimica del cloruro di nichel con idrazina. Il gruppo di ricerca di Adám ha dimostrato che l'ultrasuoni – usando il Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – era 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 poteva 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 ad ultrasuoni delicato (potenza di uscita di 30 W) e continuo. Il comportamento catalitico delle nanoparticelle è stato testato in una reazione di cross-coupling Suzuki-Miyaura su cinque campioni preparati nei modi convenzionali e ultrasonici. I catalizzatori preparati con gli ultrasuoni di solito si sono comportati meglio, e la più alta attività catalitica è stata misurata sulle nanoparticelle preparate sotto sonicazione continua a bassa potenza (30 W).
Il trattamento a ultrasuoni ha avuto effetti cruciali sulla tendenza all'aggregazione delle nanoparticelle: l'influenza della deframmentazione dei vuoti di cavitazione distrutti con il trasferimento di massa vigoroso potrebbe superare l'attrazione elettrostatica dei vuoti di cavitazione distrutti con il trasferimento di massa vigoroso potrebbe superare le forze elettrostatiche attraenti e di van der Waals tra le particelle.
(cfr. Adám et al. 2020)

Sintesi ultrasonica di nanoparticelle di Wollastonite

La wollastonite è un minerale inosilicato di calcio con la formula chimica CaSiO3 La wollastonite è ampiamente utilizzata come componente per la produzione di cemento, vetro, mattoni e piastrelle nell'industria delle costruzioni, come flusso nella fusione dell'acciaio e come additivo nella produzione di rivestimenti e vernici. Per esempio, la wollastonite fornisce rinforzo, indurimento, basso assorbimento di olio e altri miglioramenti. Per ottenere eccellenti proprietà di rinforzo della wollastonite, la deagglomerazione su scala nanometrica e la dispersione uniforme sono essenziali.
Dordane e Doroodmand (2021) hanno dimostrato nei loro studi che la dispersione ultrasonica è un fattore molto importante che infliuisce significativamente la dimensione 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 loro prove di sonicazione, i ricercatori hanno usato il processore a ultrasuoni UP200H (Hielscher Ultrasonics) con una frequenza di 24 kHz per 45,0 min. I risultati della nano-dispersione ultrasonica sono mostrati nel SEM ad alta risoluzione qui sotto. L'immagine SEM mostra chiaramente che il campione di wollastonite prima del trattamento ultrasonico 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 ultrasonica è una tecnica affidabile ed efficiente per sintetizzare nanoparticelle di wollastonite. La dimensione media delle nanoparticelle può essere controllata regolando i parametri di lavorazione ad ultrasuoni.
(cfr. Dordane e Doroodmand, 2021)

Immagini al SEM delle nanoparticelle di wollastonite (A) prima e (B) dopo l'ultrasuonazione con Processore ad ultrasuoni UP200H per 45,0 min.
Studio e immagine: ©Dordane e Doroodmand, 2021.

Dispersione ultrasonica di nanofiller

La sonicazione è un metodo versatile per disperdere e deagglomerare i nanofiller nei liquidi e negli impasti, ad esempio polimeri, resine epossidiche, indurenti, termoplastiche ecc. Pertanto, la sonificazione è ampiamente utilizzata come metodo di dispersione altamente efficiente in R&D e produzione industriale.
Zanghellini et al. (2021) hanno studiato la tecnica di dispersione ultrasonica per i nanofiller in resina epossidica. Ha potuto dimostrare che la sonicazione era in grado di disperdere piccole e alte concentrazioni di nanofiller in una matrice polimerica.
Confrontando varie formulazioni, il CNT ossidato allo 0,5 wt% ha mostrato i migliori risultati di tutti i campioni sonicati, rivelando distribuzioni dimensionali della maggior parte degli agglomerati in una gamma paragonabile a quella 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 punta alla stabilità contro la sedimentazione e quindi una corretta stabilità a lungo termine. Quantità di riempitivo più elevate hanno mostrato buoni risultati simili, ma anche la formazione di reti interne più pronunciate e agglomerati un po' più grandi. Anche le nanofibre di carbonio (CNF) potrebbero 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 quindi può essere vista come un metodo applicabile per una dispersione semplice e diretta con il potenziale per l'uso industriale. (cfr. Zanghellini et al., 2021)

Confronto tra diversi nanofiller dispersi nell'indurente utilizzando ultrasuoni di tipo 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 ad ultrasuoni di nanoparticelle – Scientificamente provato per la superiorità

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