나노유체 제조 방법

나노유체는 나노입자를 함유한 기본 유체로 구성된 공학적으로 설계된 유체입니다. 나노유체를 합성하려면 높은 수준의 균일한 분산을 보장하기 위해 효과적이고 신뢰할 수 있는 균질화 및 응집 해체 기술이 필요합니다. 초음파 분산기는 우수한 특성의 나노유체를 생산하는 데 탁월한 기술입니다. 초음파 분산은 효율성, 속도, 간편성, 신뢰성 및 사용자 편의성이 뛰어납니다.

나노유체란 무엇인가요?

나노유체는 일반적으로 나노입자라고 부르는 나노 크기의 입자(≺100nm)를 함유한 유체입니다. 나노유체에 사용되는 나노입자는 일반적으로 금속, 산화물, 탄화물 또는 탄소나노튜브로 만들어집니다. 이러한 나노입자를 기본 유체(예: 물, 오일 등)에 분산시켜 공학적으로 설계된 콜로이드 현탁액, 즉 나노유체를 얻습니다. 나노유체는 기본 유체의 물성과 비교하여 열전도도, 열확산도, 점도 및 대류 열전달 계수와 같은 열물리적 특성이 향상됩니다.
나노유체의 일반적인 용도는 냉각제 또는 냉매로 사용하는 것입니다. 기존 냉각제(물, 오일, 에틸렌글리콜, 폴리알파올레핀 등)에 나노입자를 첨가하면 기존 냉각제의 열적 특성이 향상됩니다.

• 냉각 / 열전달 유체
• 윤활제
• 생의학 분야

초음파 균질기를 이용한 나노유체 제조

나노유체의 미세구조는 가장 적합한 균질화 기술과 공정 매개변수를 적용하여 영향을 주고 조절할 수 있습니다. 초음파 분산은 나노유체 제조를 위한 매우 효율적이고 신뢰할 수 있는 기술로 입증되었습니다. 초음파 분산기는 연구 및 산업 분야에서 균일성이 높고 입도 분포가 좁은 나노입자를 합성, 분쇄, 분산 및 균질화하는 데 사용됩니다. 나노유체 합성을 위한 공정 매개변수에는 초음파 에너지 투입량, 초음파 진폭, 온도, 압력 및 산도가 포함됩니다. 또한 반응물과 첨가제의 종류 및 농도뿐만 아니라 첨가제를 용액에 넣는 순서도 중요한 요소입니다.
나노유체의 특성은 나노물질의 구조와 형상에 크게 좌우된다는 사실이 잘 알려져 있습니다. 따라서 나노유체의 미세구조를 제어할 수 있도록 하는 것이 나노유체의 기능과 품질에 기여하는 주요 요소입니다. 진폭, 압력, 온도 및 에너지 투입량(Ws/mL)과 같은 최적화된 초음파 처리 매개변수를 사용하는 것이 안정적이고 균일한 고품질 나노유체를 생산하는 핵심입니다. 초음파 처리를 효과적으로 적용하면 입자의 응집을 해체하고 개별 나노입자로 분산시킬 수 있습니다. 입자 크기가 작아질수록 브라운 운동(브라운 운동 속도)과 입자 간 상호작용이 증가하여 나노유체의 안정성이 높아집니다. Hielscher 초음파 처리기는 모든 주요 공정 매개변수를 정밀하게 제어할 수 있고, 높은 진폭에서 연속 운전(24/7/365)이 가능하며, 모든 초음파 처리 실행을 쉽게 평가할 수 있도록 자동 데이터 기록 기능을 갖추고 있습니다.

초음파로 분산된 나노 크기 실리카

초음파 처리로 향상된 나노유체의 안정성

나노유체에서 나노입자가 응집하면 입자 침강과 미세 유로의 막힘뿐만 아니라 나노유체의 열전도도 저하도 발생합니다. 초음파 응집 해체 및 분산은 재료 과학과 산업 분야에서 널리 활용됩니다. 초음파 처리는 나노입자가 균일하게 분포하고 안정성이 뛰어난 나노분산액을 제조하는 데 검증된 기술입니다. 따라서 Hielscher 초음파 분산기는 나노유체 생산에 선호되는 기술입니다.

연구에서의 초음파 나노유체 생산

초음파 처리와 초음파 매개변수가 나노유체의 특성에 미치는 영향을 조사한 연구가 수행되었습니다. 초음파를 이용한 나노유체 제조에 관한 과학적 연구 결과를 자세히 알아보세요.

Al2O3 나노유체 제조에 대한 초음파의 영향

Noroozi et al. (2014)은 “입자 농도가 높을수록 초음파 처리로 인한 나노유체의 열확산도 향상이 더 컸다. 또한 측정 전에 더 높은 출력의 프로브형 초음파 처리기로 나노유체를 초음파 처리하면 안정성과 열확산도가 더욱 향상되었다.”라고 밝혔습니다. 크기가 더 작은 나노입자(NPs)에서 열확산도 향상이 더 컸습니다. 이는 입자가 작을수록 부피 대비 유효 표면적의 비율이 더 높기 때문입니다. 따라서 더 작은 입자는 안정적인 나노유체 형성에 기여했으며, 초음파 프로브를 이용한 초음파 처리는 열확산도에 상당한 영향을 미쳤습니다. (Noroozi et al. 2014)

초음파를 이용한 Al2O3-물 나노유체 생산의 단계별 지침

먼저 디지털 전자저울로 Al2O3 나노입자의 질량을 측정합니다. 그런 다음 질량을 측정해 둔 증류수에 Al2O3 나노입자를 서서히 넣고 Al2O3-물 혼합물을 교반합니다. 프로브형 초음파 장치 UP400S(400W, 24kHz, 왼쪽 사진 참조)로 혼합물을 1h 동안 연속 초음파 처리하여 나노입자가 증류수에 균일하게 분산되도록 합니다. 나노유체는 서로 다른 분율(0.1%, 0.5%, 1%)로 제조할 수 있습니다. 계면활성제를 사용하거나 pH를 변경할 필요가 없습니다. (Isfahani et al., 2013)

초음파로 조절한 ZnO 수계 나노유체

Elcioglu et al. (2021)은 과학적 연구에서 “초음파 처리는 기본 유체 내 나노입자의 적절한 분산과 안정성뿐만 아니라 실제 응용을 위한 최적의 특성을 확보하는 데 필수적인 공정이다.”라고 설명합니다. 연구진은 초음파 처리기 UP200Ht를 사용하여 ZnO / 물 나노유체를 생산했습니다. 초음파 처리는 ZnO 수계 나노유체의 표면장력에 뚜렷한 영향을 미쳤습니다. 연구진의 결과는 적절한 초음파 처리 조건에서 모든 나노유체의 표면장력, 나노막 형성 및 기타 관련 특성을 조정하고 조절할 수 있다는 결론으로 이어집니다.

나노유체 생산용 초음파 균질기

Hielscher Ultrasonics는 모든 종류의 균질화 및 응집 해체 용도를 위한 고성능 초음파 분산기를 설계, 제조 및 공급합니다. 나노유체 생산에서는 정밀한 초음파 처리 제어와 나노입자 현탁액의 신뢰할 수 있는 초음파 처리가 매우 중요합니다.
Hielscher Ultrasonics의 처리기는 에너지 투입량, 초음파 강도, 진폭, 압력, 온도 및 체류 시간과 같은 모든 주요 공정 매개변수를 완벽하게 제어할 수 있도록 해줍니다. 이를 통해 매개변수를 최적화된 조건으로 조정할 수 있으며, 그 결과 고품질 나노유체를 얻을 수 있습니다.

• 모든 부피와 처리 용량에 대응: Hielscher는 초음파 처리기와 폭넓은 액세서리 제품군을 제공합니다. 이를 통해 사용자의 응용 분야와 생산 용량에 이상적인 초음파 시스템을 구성할 수 있습니다. 밀리리터 단위의 소형 바이알부터 시간당 수천 갤런의 대용량 유동 공정까지 Hielscher는 사용자의 공정에 적합한 초음파 솔루션을 제공합니다.
• 견고성: 당사의 초음파 시스템은 견고하고 신뢰할 수 있습니다. 모든 Hielscher 초음파 처리기는 24/7/365 운전을 위해 제작되었으며 유지보수가 거의 필요하지 않습니다.
• 사용자 편의성: 당사 초음파 장치의 정교한 소프트웨어는 간편하고 신뢰할 수 있는 초음파 처리를 위해 초음파 처리 설정을 미리 선택하고 저장할 수 있도록 합니다. 직관적인 메뉴는 디지털 컬러 터치 디스플레이를 통해 쉽게 이용할 수 있습니다. 브라우저 원격 제어 기능을 이용하면 어떤 인터넷 브라우저에서든 장치를 작동하고 모니터링할 수 있습니다. 자동 데이터 기록 기능은 모든 초음파 처리 실행의 공정 매개변수를 내장 SD 카드에 저장합니다.

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: