ナノ材料（ナノ粒子）の超音波分散
ナノ材料は、高性能材料、日焼け止め、高性能コーティング、プラスチック複合材料など、多種多様な製品に不可欠な構成要素となっています。超音波キャビテーションは、ナノサイズの粒子を水、油、溶剤、樹脂などの液体に分散させるために使用されます。
ナノ粒子の超音波分散
この ナノ粒子の超音波分散 の応用には、さまざまな効果があります。最も明らかな効果は、粒子の凝集体を解体するための 液体中への材料の分散 です。別のプロセスは、 粒子の合成または析出の際に超音波を適用することです。一般に、これにより粒子が小さくなり、粒径の均一性が向上します。 超音波キャビテーション は、粒子表面での物質移動も改善します。この効果は、比表面積の大きい材料の表面 官能基化 を改善するために利用できます。
ナノ材料の分散と微細化
金属酸化物、ナノクレイ、 カーボンナノチューブ などのナノ材料は、液体に混合すると凝集する傾向があります。粉末を濡らした後の結合力を克服するには、効果的な解凝集と 分散 の手段が必要です。水系および非水系の懸濁液中で、超音波によって凝集体構造を解体することで、ナノサイズ材料の潜在能力を最大限に活用できます。固形分含有量の異なる、ナノ粒子凝集体のさまざまな分散液を対象とした研究では、ローター・ステーターミキサー（ultra turraxなど）、ピストン式ホモジナイザー、ビーズミルやコロイドミルなどの湿式粉砕法といった他の技術と比較して、超音波に大きな優位性があることが示されています。Hielscherの超音波システムは、かなり高い固形分濃度で運転できます。例えば、 シリカ では、破砕速度が 最大50%の固体濃度 （重量比）までは濃度に依存しないことが確認されています。超音波は、高濃度マスターバッチの分散に適用でき、低粘度および高粘度の液体を処理できます。このため、超音波は、水、樹脂、油などのさまざまな媒体をベースとする塗料やコーティングに適した処理手段となります。
超音波ホモジナイザー UP400St によるナノ分散液の調製
超音波キャビテーション
超音波処理による分散と解凝集は、超音波キャビテーションによって生じます。液体に超音波を照射すると、液体内を伝播する音波により、高圧と低圧の周期が交互に発生します。これにより、個々の粒子間の引力に機械的応力が加わります。 超音波キャビテーション は、液体中で最大1000km/hr（約600mph）の高速液体ジェットを発生させます。このジェットは、粒子間に液体を高圧で押し込み、粒子同士を引き離します。小さな粒子は液体ジェットによって加速され、高速で衝突します。このため、超音波は、マイクロメートルサイズおよびサブマイクロメートルサイズの粒子の分散だけでなく、 粉砕 にも有効な手段となります。
超音波支援による粒子の合成 / 析出
ナノ粒子は、合成または析出によってボトムアップで生成できます。ソノケミストリーは、ナノサイズ化合物の調製に用いられた最も初期の技術のひとつです。Suslickは、その初期の研究で、Fe(CO)5 を純液体として、またはdeaclin溶液中で超音波処理し、粒径10–20nmの非晶質鉄ナノ粒子を得ました。一般に、過飽和混合物では、高濃度の物質から固体粒子の形成が始まります。超音波処理は、前駆体の混合を改善し、粒子表面での物質移動を増大させます。これにより、粒径が小さくなり、均一性が向上します。
UIP2000hdTは、SWCNTsを分散させるための、出力2kWの強力な超音波処理装置です。
超音波を用いた表面官能基化
金属酸化物、 インクジェットインク およびトナーの顔料、高性能 コーティング用の充填材など、多くのナノ材料には表面官能基化が必要です。個々の粒子の表面全体を官能基化するには、良好な分散方法が必要です。分散した粒子は、通常、粒子表面に引き寄せられた分子の境界層に囲まれています。新たな官能基が粒子表面に到達するには、この境界層を解体または除去する必要があります。超音波キャビテーションによって生じる液体ジェットは、最大1000km/hrの速度に達することがあります。この応力は、引力を克服するのに役立ち、官能性分子を粒子表面へ運びます。 ソノケミストリーでは、この効果を利用して、分散した触媒の性能を改善します。
粒径測定前の超音波処理
サンプルの超音波処理は、粒径や形態の測定精度を向上させます。新しいSonoStepは、サンプルの超音波処理、撹拌、送液をコンパクトな設計に組み合わせています。操作が簡単で、超音波処理したサンプルを粒径分析装置などの分析機器に供給するために使用できます。強力な超音波処理は、凝集した粒子の分散を促し、より一貫した結果につながります。詳しくは、こちらをクリックしてください！
実験室および生産規模での超音波処理
解凝集と分散のための超音波プロセッサーおよびフローセルは、 実験室 および 生産 規模向けに提供されています。産業用システムは、インラインで稼働するよう容易に後付けできます。研究とプロセス開発には、 UIP1000hd（1,000ワット）の使用をお勧めします。
Hielscherは、塗料、インク、コーティングなどに含まれるナノ材料を効率的に分散させるために、幅広い超音波装置とアクセサリーを提供しています。
- コンパクトな実験室用装置 は、最大 400ワットの出力に対応します.
これらの装置は、主にサンプル調製や初期の実現可能性調査に使用され、レンタルも可能です。 - 500 、 1,000 および 2,000 ワットの超音波プロセッサー、例えば フローセルと各種ブースターホーンおよびソノトロードを備えたUIP1000hdセット は、より大流量のストリームを処理できます。
このような装置は、ベンチトップまたはパイロットプラント規模で、振幅、運転圧力、流量などのパラメーターの最適化に使用されます。 - 出力が 2kW, 4kW, 10kW および 16kW の超音波プロセッサーや、こうした装置を複数台組み合わせた、より大規模なクラスターは、ほぼあらゆる生産規模の流体ストリームを処理できます。
プロセス試験を実施するために、ベンチトップ装置を好条件でレンタルできます。このような試験の結果は、生産規模へ線形にスケールアップでき、プロセス開発に伴うリスクとコストを削減します。オンライン、電話、対面で喜んでお手伝いいたします。 当社の所在地はこちらをご確認いただくか、下記のフォームをご利用ください。
下表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 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. | さらに大きな流量 | 複数台で構成するクラスター： UIP16000 |
お問い合わせ / ご質問
ナノ材料 – 背景情報
ナノ材料とは、サイズが100nm未満の材料です。塗料、インク、コーティングの配合への導入が急速に進んでいます。ナノ材料は、金属酸化物、ナノクレイ、 カーボンナノチューブの三つの大きなカテゴリーに分かれます。金属酸化物ナノ粒子には、ナノスケールの酸化亜鉛、酸化チタン、酸化鉄、酸化セリウム、酸化ジルコニウムのほか、酸化インジウムスズなどの混合金属化合物およびジルコニウムとチタン、さらには酸化インジウムスズなどの混合金属化合物が含まれます。この微小な物質は、物理学、 化学 、生物学などの多くの分野に影響を及ぼします。塗料やコーティングでは、ナノ材料は装飾上の要求（色や光沢など）や機能上の目的（導電性や微生物の不活化など）を満たし、塗料やコーティングの保護性能（耐傷性やUV安定性など）を改善します。特に、TiO2やZnO、アルミナ、セリア、 シリカ などのナノサイズの金属酸化物やナノサイズの顔料は、新しい塗料やコーティングの配合に使用されています。
物質のサイズを小さくすると、色や、化学反応性などの他の物質との相互作用といった特性が変化します。この特性の変化は、電子的性質の変化によって引き起こされます。 粒径の微細化によって、材料の表面積が増大します。その結果、より高い割合の原子が、樹脂のマトリックスなどの他の物質と相互作用できるようになります。
表面活性は、ナノ材料の重要な特性です。凝集および会合は、表面が他の物質と接触するのを妨げます。十分に分散した粒子、または個々に分散した粒子だけが、物質の有益な潜在能力を最大限に活用できます。その結果、良好な分散によって、同じ効果を得るために必要なナノ材料の量が減ります。ほとんどのナノ材料は依然としてかなり高価であるため、この点は、ナノ材料を含む製品配合の商業化において非常に重要です。現在、多くのナノ材料は乾式プロセスで製造されています。そのため、粒子を液体配合物に混合する必要があります。この段階で、ほとんどのナノ粒子は濡れる際に凝集体を形成します。特に カーボンナノチューブ は凝集性が非常に高く、水、エタノール、油、ポリマー、エポキシ樹脂などの液体に分散させるのが困難です。高せん断ミキサーやローター・ステーターミキサー、高圧ホモジナイザー、コロイドミルやディスクミルなどの従来の処理装置では、ナノ粒子を個別の粒子に分離するには不十分です。特に、数ナノメートルから数マイクロメートルまでの微小な物質に対して、超音波キャビテーションは、凝集体、会合体、さらには一次粒子の破砕にも非常に有効です。高濃度バッチの 粉砕 に超音波を使用すると、超音波キャビテーションによって生じる液体ジェット流が、最大1000km/hの速度で粒子同士を衝突させます。これによって、凝集体内、さらには一次粒子内のファンデルワールス力が断ち切られます。
Hielscher Ultrasonicsは、実験室、パイロット、産業規模での混合用途、分散、乳化、抽出のための高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。