나노소재(나노입자)의 초음파 분산
나노소재는 고성능 소재, 자외선 차단제, 고성능 코팅 또는 플라스틱 복합재 등 다양한 제품의 필수 구성 요소가 되었습니다. 초음파 캐비테이션은 나노 크기의 입자를 물, 오일, 용매 또는 수지와 같은 액체에 분산시키는 데 사용됩니다.
나노입자의 초음파 분산
나노입자에 대한 초음파 분산을 적용하면 다양한 효과가 나타납니다. 가장 뚜렷한 효과는 액체 내 물질 분산을 통한 입자 응집체의 해체입니다. 또 다른 공정은 입자 합성 또는 침전 과정에서 초음파를 적용하는 것입니다. 일반적으로 이를 통해 입자 크기가 작아지고 크기 균일성이 높아집니다. 초음파 캐비테이션은 입자 표면에서의 물질 전달도 향상시킵니다. 이 효과는 비표면적이 높은 물질의 표면 기능화를 개선하는 데 사용할 수 있습니다.
나노소재의 분산 및 크기 감소
금속 산화물, 나노클레이 또는 탄소 나노튜브 등의 나노소재는 액체에 혼합하면 응집되는 경향이 있습니다. 분말을 습윤시킨 후 결합력을 극복하려면 효과적인 해응집 및 분산 수단이 필요합니다. 수계 및 비수계 현탁액에서 초음파로 응집 구조를 해체하면 나노 크기 소재의 잠재력을 온전히 활용할 수 있습니다. 고형분 함량을 달리한 다양한 나노입자 응집체 분산액에 대한 연구에서는 로터–스테이터 믹서(예: ultra turrax), 피스톤 균질기 또는 비드 밀이나 콜로이드 밀과 같은 습식 분쇄 방법 등 다른 기술에 비해 초음파가 상당한 이점을 갖는 것으로 나타났습니다. Hielscher 초음파 시스템은 상당히 높은 고형분 농도에서도 운전할 수 있습니다. 예를 들어 실리카의 파쇄 속도는 중량 기준 최대 50%의 고형분 농도와 무관한 것으로 나타났습니다. 초음파는 고농도 마스터배치의 분산에 적용할 수 있으며 – 저점도 및 고점도 액체를 처리할 수 있습니다. 따라서 초음파는 물, 수지 또는 오일과 같은 다양한 매질을 기반으로 하는 페인트 및 코팅에 적합한 처리 솔루션입니다.
초음파 균질기 UP400St – 나노 분산액용
초음파 캐비테이션
초음파 처리에 의한 분산과 해응집은 초음파 캐비테이션의 결과입니다. 액체에 초음파를 가하면 액체 내부로 전파되는 음파에 의해 고압과 저압 주기가 번갈아 발생합니다. 이는 개별 입자 사이의 인력에 기계적 응력을 가합니다. 초음파 캐비테이션은 액체에서 최대 1000km/hr(약 600mph)의 고속 액체 제트를 발생시킵니다. 이러한 제트는 고압으로 액체를 입자 사이에 밀어 넣어 입자를 서로 분리합니다. 더 작은 입자들은 액체 제트와 함께 가속되어 고속으로 충돌합니다. 따라서 초음파는 마이크론 및 서브마이크론 크기 입자의 분산뿐 아니라 분쇄에도 효과적인 수단이 됩니다.
초음파 보조 입자 합성 / 침전
나노입자는 합성 또는 침전을 통해 상향식으로 생성할 수 있습니다. 초음파화학은 나노 크기 화합물을 제조하는 데 사용된 가장 초기의 기술 중 하나입니다. Suslick은 자신의 초기 연구에서 Fe(CO)5 시료를 순수한 액체 상태 또는 deaclin 용액 상태로 초음파 처리하여 크기가 10–20nm인 비정질 철 나노입자를 얻었습니다. 일반적으로 과포화 혼합물에서는 고농도 물질로부터 고체 입자가 형성되기 시작합니다. 초음파 처리는 전구체의 혼합을 개선하고 입자 표면에서의 물질 전달을 증가시킵니다. 이를 통해 입자 크기가 작아지고 균일성이 높아집니다.
UIP2000hdT – SWCNT 분산을 위한 강력한 2kW 초음파 처리기.
초음파를 이용한 표면 기능화
금속 산화물, 잉크젯 잉크 및 토너 안료 또는 고성능 코팅용 충전재와 같은 많은 나노소재에는 표면 기능화가 필요합니다. 각 개별 입자의 전체 표면을 기능화하려면 우수한 분산 방법이 필요합니다. 분산된 입자는 일반적으로 입자 표면에 끌리는 분자들로 이루어진 경계층에 둘러싸여 있습니다. 새로운 작용기가 입자 표면에 도달하려면 이 경계층을 파괴하거나 제거해야 합니다. 초음파 캐비테이션으로 발생하는 액체 제트는 최대 1000km/hr의 속도에 도달할 수 있습니다. 이러한 응력은 인력을 극복하는 데 도움을 주고 기능성 분자를 입자 표면으로 운반합니다. 음향화학에서는 이 효과를 이용하여 분산된 촉매의 성능을 향상시킵니다.
입도 측정 전 초음파 처리
시료의 초음파 처리는 입도 또는 형태 측정의 정확도를 향상시킵니다. 새로운 SonoStep은 초음파, 시료 교반 및 펌핑 기능을 소형 설계에 결합했습니다. 작동이 간편하며 초음파 처리된 시료를 입도 분석기와 같은 분석 장치로 이송하는 데 사용할 수 있습니다. 강력한 초음파 처리는 응집된 입자를 분산시키는 데 도움을 주어 더욱 일관된 결과를 얻을 수 있게 합니다. 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!
실험실 및 생산 규모의 초음파 처리
해응집 및 분산을 위한 초음파 처리기와 플로우 셀은 실험실 및 생산 규모에 맞게 제공됩니다. 산업용 시스템은 인라인으로 작동하도록 쉽게 개조할 수 있습니다. 연구 및 공정 개발에는 다음 장비의 사용을 권장합니다: UIP1000hd (1,000와트).
Hielscher는 페인트, 잉크 및 코팅제 등에 포함되는 나노소재를 효율적으로 분산시키기 위한 다양한 초음파 장치와 액세서리를 제공합니다.
- 소형 실험실 장비는 최대 400와트의 출력을 제공합니다.
이 장비는 주로 시료 전처리 또는 초기 타당성 연구에 사용되며 임대할 수 있습니다. - 500 및 1,000 및 2,000 와트급 초음파 처리기는 플로우 셀과 다양한 부스터 혼 및 소노트로드가 포함된 UIP1000hd 세트와 같이 더 큰 용적의 유체 흐름을 처리할 수 있습니다.
이러한 장비는 벤치탑 또는 파일럿 플랜트 규모에서 매개변수(예: 진폭, 작동 압력, 유량 등)를 최적화하는 데 사용됩니다. - 출력이 2kW, 4kW, 10kW 및 16kW인 초음파 처리기 및 이러한 장치 여러 대로 구성된 더 큰 클러스터는 거의 모든 규모의 생산 유체 흐름을 처리할 수 있습니다.
공정 시험을 수행할 수 있도록 벤치탑 장비를 좋은 조건으로 임대할 수 있습니다. 이러한 시험 결과를 생산 규모로 선형 확장할 수 있어 – 공정 개발에 수반되는 위험과 비용이 줄어듭니다. 온라인, 전화 또는 대면으로 기꺼이 도와드리겠습니다. 연락처는 여기에서 확인하시거나 아래 양식을 이용하세요.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:
| 배치 용적 | 유량 | 권장 장비 |
|---|---|---|
| 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. | 더 큰 유량 | 다음 장비로 구성된 클러스터: UIP16000 |
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나노소재 – 배경 정보
나노소재는 크기가 100nm 미만인 소재입니다. 페인트, 잉크 및 코팅제의 배합에 빠르게 도입되고 있습니다. 나노소재는 크게 세 범주로 나뉩니다: 금속 산화물, 나노클레이 및 탄소 나노튜브. 금속 산화물 나노입자에는 나노 크기의 산화아연, 산화티타늄, 산화철, 산화세륨 및 산화지르코늄뿐만 아니라 인듐 주석 산화물과 같은 혼합 금속 화합물과 지르코늄 및 티타늄, 그리고 인듐 주석 산화물과 같은 혼합 금속 화합물이 포함됩니다. 이러한 작은 물질은 물리학, 화학 및 생물학과 같은 여러 학문 분야에 영향을 미칩니다. 페인트 및 코팅제에서 나노소재는 장식적 요구(예: 색상 및 광택)와 기능적 목적(예: 전도성, 미생물 불활성화)을 충족하고 페인트 및 코팅제의 보호 성능(예: 내스크래치성, 자외선 안정성)을 향상시킵니다. 특히 나노 크기 금속 산화물인 TiO2 및 ZnO 또는 알루미나, 세리아 및 실리카 및 나노 크기의 안료는 새로운 도료 및 코팅 조성물에 사용됩니다.
물질의 크기가 줄어들면 색상이나 화학적 반응성과 같은 다른 물질과의 상호작용 등 그 특성이 변합니다. 이러한 특성 변화는 전자적 특성의 변화로 인해 발생합니다. 입자 크기를 줄이면 재료의 표면적이 증가합니다. 이로 인해 더 높은 비율의 원자가 다른 물질, 예를 들어 수지 매트릭스와 상호작용할 수 있습니다.
표면 활성은 나노소재의 핵심 특성입니다. 응집과 집합은 표면이 다른 물질과 접촉하는 것을 막습니다. 잘 분산되거나 개별 입자로 분산된 입자만이 물질의 유익한 잠재력을 최대한 활용할 수 있게 합니다. 따라서 잘 분산하면 동일한 효과를 얻는 데 필요한 나노소재의 양이 줄어듭니다. 대부분의 나노소재는 여전히 상당히 비싸므로, 이 점은 나노소재를 함유한 제품 조성물의 상용화에 매우 중요합니다. 오늘날 많은 나노소재는 건식 공정으로 생산됩니다. 따라서 입자를 액상 조성물에 혼합해야 합니다. 이 과정에서 대부분의 나노입자는 젖는 동안 응집체를 형성합니다. 특히 탄소 나노튜브는 응집성이 매우 강해 물, 에탄올, 오일, 고분자 또는 에폭시 수지와 같은 액체에 분산시키기 어렵습니다. 고전단 혼합기나 로터–스테이터 혼합기, 고압 균질기, 콜로이드 밀 및 디스크 밀과 같은 기존 처리 장치는 나노입자를 개별 입자로 분리하는 데 한계가 있습니다. 특히 수 나노미터에서 두 마이크로미터 정도에 이르는 작은 물질의 경우, 초음파 캐비테이션은 응집체, 집합체, 심지어 일차 입자까지 파쇄하는 데 매우 효과적입니다. 초음파를 고농도 배치의 분쇄에 사용할 때 초음파 캐비테이션으로 발생하는 액체 제트 흐름은 입자들이 최대 1000km/h의 속도로 서로 충돌하게 합니다. 이로 인해 응집체 내의 반데르발스 힘이 끊어지고 심지어 일차 입자도 파쇄됩니다.
Hielscher Ultrasonics는 실험실, 파일럿 및 산업 규모의 혼합, 분산, 유화 및 추출 용도를 위한 고성능 초음파 균질기를 제조합니다.