ნანონაწილაკების საიმედო დისპერსია სამრეწველო გამოყენებისთვის

მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერით დამუშავებას შეუძლია ეფექტურად და საიმედოდ დაშალოს ნაწილაკების აგლომერატები და პირველადი ნაწილაკებიც კი. დისპერსიის მაღალი ეფექტურობის გამო, ზონდური ტიპის ულტრაბგერითი აპარატები უპირატეს მეთოდად გამოიყენება ნანონაწილაკების ჰომოგენური სუსპენზიების შესაქმნელად.

საიმედო ნანონაწილაკების დისპერსია ულტრაბგერითი დამუშავებით

მრავალი ინდუსტრია მოითხოვს ნანონაწილაკების შემცველი სუსპენზიების მომზადებას. ნანონაწილაკები არის მყარი ნაწილაკები, რომელთა ზომა ნაკლებია 100nm-ზე. ნაწილაკების უმცირესი ზომის გამო, ნანონაწილაკები ავლენენ უნიკალურ თვისებებს, როგორიცაა განსაკუთრებული სიმტკიცე, სიმაგრე, ოპტიკური მახასიათებლები, პლასტიკურობა, UV გამოსხივებისადმი მდგრადობა, გამტარობა, ელექტრული და ელექტრომაგნიტური (EM) თვისებები, კოროზიისადმი მდგრადობა, ნაკაწრებისადმი მდგრადობა და სხვა გამორჩეული მახასიათებლები.
მაღალი ინტენსივობის, დაბალი სიხშირის ულტრაბგერა ქმნის ინტენსიურ აკუსტიკურ კავიტაციას, რომელიც ხასიათდება ექსტრემალური პირობებით, როგორიცაა ძვრის ძალები, წნევისა და ტემპერატურის ძალიან დიდი სხვაობები და ტურბულენტობა. ეს კავიტაციური ძალები აჩქარებს ნაწილაკებს, რაც იწვევს ნაწილაკთაშორის შეჯახებებს და, შედეგად, ნაწილაკების დამსხვრევას. შედეგად მიიღება ნანოსტრუქტურული მასალები ნაწილაკების ზომების განაწილების ვიწრო მრუდითა და ერთგვაროვანი განაწილებით.
ულტრაბგერითი დისპერსიული დანადგარები შესაფერისია ნანომასალების ნებისმიერი სახეობის დამუშავებისთვის წყალში და ორგანულ გამხსნელებში, დაბალიდან ძალიან მაღალ სიბლანტემდე.

ნახშირბადის ნანომილაკების ულტრაბგერითი დისპერსია

ულტრაბგერითი დისპერსორები ფართოდ გამოიყენება ნახშირბადის ნანომილაკების (CNTs) დისპერსიის მიზნით. ულტრაბგერითი დამუშავება არის საიმედო მეთოდი ერთკედოვანი ნახშირბადის ნანომილაკების (SWCNTs) და მრავალკედოვანი ნახშირბადის ნანომილაკების (MWCNTs) გახსნისა და დისპერსიისთვის. მაგალითად, მაღალგამტარი თერმოპლასტიკური პოლიმერის წარმოებისთვის, მაღალი სიწმინდის (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; გარე დიამეტრი 9,5 nm; სიწმინდე 95 +%) ულტრაბგერითად იყო დისპერსირებული Hielscher UP200S-ით 30min. ოთახის ტემპერატურაზე. ეპოქსიდური ფისში 1% w/w კონცენტრაციით ულტრაბგერითად დისპერსირებულმა Nanocyl® 3100 MWCNT-ებმა აჩვენა უპირატესი გამტარობა დაახლოებით 1,5 × 10-2 S /m.

ნიკელის ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი დისპერსია

ნიკელის ნანონაწილაკების წარმატებით მიღება შესაძლებელია ულტრაბგერითი დამუშავებით ხელშეწყობილი ჰიდრაზინით აღდგენითი სინთეზის გზით. ჰიდრაზინით აღდგენითი სინთეზის მეთოდი საშუალებას იძლევა, ნიკელის ქლორიდის ჰიდრაზინით ქიმიური აღდგენით მომზადდეს სუფთა მეტალური ნიკელის სფერული ნანონაწილაკები. Adám-ის კვლევითმა ჯგუფმა აჩვენა, რომ ულტრაბგერით დამუშავებას – რომლისთვისაც გამოიყენეს Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – შეეძლო პირველადი კრისტალიტების საშუალო ზომის (7–8 nm) შენარჩუნება გამოყენებული ტემპერატურისგან დამოუკიდებლად, ხოლო ინტენსიური და უფრო ხანმოკლე ულტრაბგერითი დამუშავებით შესაძლებელი იყო მეორეული, აგრეგირებული ნაწილაკების სოლვოდინამიკური დიამეტრების შემცირება 710 nm-დან 190 nm-მდე ყოველგვარი ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების გარეშე. ყველაზე მაღალი მჟავიანობა და კატალიზური აქტივობა დაფიქსირდა იმ ნანონაწილაკებისთვის, რომლებიც მიღებული იყო მსუბუქი (30 W გამომავალი სიმძლავრე) და უწყვეტი ულტრაბგერითი დამუშავებით. ნანონაწილაკების კატალიზური ქცევა შემოწმდა სუზუკი-მიიაურას ჯვარედინი შეწყვილების რეაქციაში ხუთ ნიმუშზე, რომლებიც მომზადებული იყო როგორც ტრადიციული, ისე ულტრაბგერითი მეთოდებით. ულტრაბგერითად მომზადებული კატალიზატორები, როგორც წესი, უკეთეს შედეგებს იძლეოდა, ხოლო ყველაზე მაღალი კატალიზური აქტივობა დაფიქსირდა დაბალი სიმძლავრის (30 W) უწყვეტი ულტრაბგერითი დამუშავებით მომზადებულ ნანონაწილაკებზე.
ულტრაბგერითმა დამუშავებამ გადამწყვეტი გავლენა იქონია ნანონაწილაკების აგრეგაციის მიდრეკილებაზე: დაზიანებული კავიტაციის სიცარიელეების დეფრაგმენტაციის გავლენა ინტენსიური მასის გადატანით შესაძლოა დაემარცხებინა დაზიანებული კავიტაციის სიცარიელეების მიმზიდველი ელექტროსტატიკური და ვან დერ ვაალსის ძალები ნაწილაკებს შორის.
(იხ. Adám et al. 2020)

ვოლასტონიტის ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი სინთეზი

ვოლასტონიტი არის კალციუმის ინოსილიკატური მინერალი ქიმიური ფორმულით CaSiO3. ვოლასტონიტი ფართოდ გამოიყენება სამშენებლო ინდუსტრიაში ცემენტის, მინის, აგურისა და ფილების წარმოების კომპონენტად, ფოლადის ჩამოსხმისას ფლუსად, აგრეთვე საფარებისა და საღებავების წარმოებაში დანამატად. მაგალითად, ვოლასტონიტი უზრუნველყოფს არმირებას, გამაგრებას, ზეთის დაბალ შთანთქმასა და სხვა გაუმჯობესებებს. ვოლასტონიტის შესანიშნავი მაარმირებელი თვისებების მისაღებად აუცილებელია ნანომასშტაბის დეაგლომერაცია და ერთგვაროვანი დისპერსია.
Dordane და Doroodmand (2021) აჩვენეს თავიანთ კვლევებში, რომ ულტრაბგერითი დისპერსია არის ძალიან მნიშვნელოვანი ფაქტორი, რომელიც მნიშვნელოვნად ახდენს გავლენას ვოლასტონიტის ნანონაწილაკების ზომასა და მორფოლოგიაზე. იმისათვის, რომ შეფასებული იქნას ულტრაბგერითი დამუშავების წვლილი ვოლასტონიტის ნანოდისპერსიაში, სამეცნიერო ჯგუფმა სინთეზირა ვოლასტონიტის ნანონაწილაკები მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის გამოყენებით და მის გარეშე. თავიანთი ულტრაბგერითი დამუშავების ცდებისთვის, მკვლევრებმა გამოიყენეს ულტრაბგერითი პროცესორი UP200H (Hielscher Ultrasonics) 24 kHz სიხშირით 45,0 წთ-ის განმავლობაში. ულტრაბგერითი ნანოდისპერსიის შედეგები ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ მაღალი გარჩევადობის SEM სურათზე. SEM სურათი ნათლად აჩვენებს, რომ ვოლასტონიტის ნიმუში ულტრაბგერითი დამუშავების წინ არის აგლომერირებული და აგრეგირებული; UP200H ულტრაბგერითი დამუშავების შემდეგ ვოლასტონიტის ნაწილაკების საშუალო ზომა არის დაახლოებით 10nm. კვლევა აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი დისპერსია არის სანდო და ეფექტური ტექნიკა ვოლასტონიტის ნანონაწილაკების სინთეზისთვის. ნანონაწილაკების საშუალო ზომა შეიძლება კონტროლდებოდეს ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრების კორექტირებით.
(იხ. Dordane და Doroodmand, 2021)

ვოლასტონიტის ნანონაწილაკების SEM სურათები (A) ულტრაბგერითი დამუშავების წინ და (B) მის შემდეგ, გამოყენებული იყო ულტრაბგერითი პროცესორი UP200H 45,0 წთ-ის განმავლობაში.
კვლევა და სურათი: ©Dordane და Doroodmand, 2021.

ულტრაბგერითი ნანოშემავსებლების დისპერსია

ულტრაბგერითი დამუშავება არის მრავალმხრივი მეთოდი ნანოშემავსებლების გასანაწილებლად და აგლომერატების დასაშლელად სითხეებსა და ნარევებში, მაგ. პოლიმერებში, ეპოქსიდურ ფისებში, გამამაგრებლებში, თერმოპლასტებში და ა.შ. შესაბამისად, ულტრაბგერითი დამუშავება ფართოდ გამოიყენება, როგორც მაღალეფექტური დისპერსიის მეთოდი R&D-სა და ინდუსტრიულ წარმოებაში.
Zanghellini et al. (2021) შეისწავლეს ეპოქსიდურ ფისში ნანოშემავსებლების ულტრაბგერითი დისპერსიის ტექნიკა. კვლევამ აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი დამუშავებით შესაძლებელი იყო როგორც დაბალი, ისე მაღალი კონცენტრაციის ნანოშემავსებლების დისპერსია პოლიმერულ მატრიცაში.
სხვადასხვა ფორმულაციის შედარებისას, 0,5 wt% დაჟანგულმა CNT-მ საუკეთესო შედეგები აჩვენა ყველა ულტრაბგერით დამუშავებულ ნიმუშს შორის: აგლომერატების უმეტესობის ზომების განაწილება სამლილვიან წისქვილში დამზადებული ნიმუშების შესადარებელ დიაპაზონში იყო, აღინიშნებოდა გამამაგრებელთან კარგი შეკავშირება და დისპერსიაში პერკოლაციური ქსელის წარმოქმნა, რაც მიუთითებს დალექვისადმი მდგრადობაზე და, შესაბამისად, სათანადო გრძელვადიან სტაბილურობაზე. შემავსებლის უფრო დიდმა რაოდენობამ მსგავსი კარგი შედეგები აჩვენა, თუმცა ასევე გამოიწვია უფრო მკვეთრად გამოხატული შიდა ქსელებისა და რამდენადმე უფრო დიდი აგლომერატების წარმოქმნა. ნახშირბადის ნანობოჭკოებიც (CNF) წარმატებით დისპერსირდა ულტრაბგერითი დამუშავებით. წარმატებით განხორციელდა ნანოშემავსებლების პირდაპირი US დისპერსია გამამაგრებელ სისტემებში დამატებითი გამხსნელების გარეშე. შესაბამისად, ეს შეიძლება ჩაითვალოს მარტივი და უშუალო დისპერსიის პრაქტიკულ მეთოდად, რომელსაც სამრეწველო გამოყენების პოტენციალი აქვს. (იხ. Zanghellini et al., 2021)
 

გამამაგრებელში დისპერსირებული სხვადასხვა ნანოშემავსებლის შედარება (ულტრაბგერითი დამუშავება–US): (a) 0,5 wt% ნახშირბადის ნანობოჭკო (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% ნახშირბადის ნანომილაკი (CNT); (d) 0,5 wt% ნაწილობრივ დისპერსირებული CNT.
(კვლევა და სურათი: © Zanghellini et al., 2021)

ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი დისპერსია – მეცნიერულად დადასტურებული უპირატესობა

მრავალი სიღრმისეული კვლევა აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი დისპერსია ერთ-ერთი საუკეთესო მეთოდია ნანონაწილაკების აგლომერატების დასაშლელად და სითხეებში მათ გასანაწილებლად, მაღალი კონცენტრაციის პირობებშიც კი. მაგალითად, Vikash-მა (2020) შეისწავლა სილიციუმის დიოქსიდის ნანონაწილაკების დიდი რაოდენობის დისპერსია ბლანტ სითხეებში Hielscher-ის ულტრაბგერითი დისპერსორის UP400S გამოყენებით. თავის კვლევაში იგი ასკვნის, რომ „ნანონაწილაკების სტაბილური და ერთგვაროვანი დისპერსიის მიღება შესაძლებელია ულტრაბგერითი დამუშავების მოწყობილობის გამოყენებით ბლანტ სითხეებში მყარი ფაზის მაღალი შემცველობის პირობებში.“ [Vikash, 2020]

მაღალეფექტური ულტრაბგერითი პროცესორები ნანონაწილაკების დისპერსიისთვის

Hielscher Ultrasonics არის საიმედო მაღალეფექტური ულტრაბგერითი აპარატურის თქვენი სანდო მომწოდებელი – ლაბორატორიული და საცდელი სისტემებიდან სრულმასშტაბიან სამრეწველო სისტემებამდე. Hielscher Ultrasonics-ის მოწყობილობებს ახასიათებს დახვეწილი აპარატურა, ინტელექტუალური პროგრამული უზრუნველყოფა და გამოყენების გამორჩეული სიმარტივე – ისინი შექმნილია და დამზადებულია გერმანიაში. Hielscher-ის გამძლე ულტრაბგერით დანადგარებს დისპერგირებისთვის, დეაგლომერაციისთვის, ნანონაწილაკების სინთეზისა და ფუნქციონალიზაციისთვის შეუძლია სრული დატვირთვით მუშაობა 24/7/365 რეჟიმში. თქვენი პროცესისა და საწარმოო ობიექტის მიხედვით, ჩვენს ულტრაბგერით მოწყობილობებს შეუძლია მუშაობა პარტიულ ან უწყვეტ ნაკადურ რეჟიმში. ხელმისაწვდომია სხვადასხვა აქსესუარი, როგორიცაა სონოტროდები (ულტრაბგერითი ზონდები), ამპლიტუდის გამაძლიერებლები, ნაკადის კამერები და რეაქტორები.
დაგვიკავშირდით ახლავე, რომ მიიღოთ დამატებითი ტექნიკური ინფორმაცია, სამეცნიერო კვლევები, პროტოკოლები და ფასის შეთავაზება ჩვენი ულტრაბგერითი ნანოდისპერსიის სისტემებისთვის! ჩვენი სათანადოდ მომზადებული, მრავალწლიანი გამოცდილების მქონე პერსონალი სიამოვნებით განიხილავს თქვენთან ნანოტექნოლოგიებთან დაკავშირებულ თქვენს ამოცანას!

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი დამუშავების მოწყობილობების დაახლოებითი დამუშავების შესაძლებლობებზე: