초음파 처리로 수성 현탁액에 분산된 나노다이아몬드
Hielscher 초음파 처리기를 사용하면 나노다이아몬드 분산액을 빠르고 효율적으로 제조할 수 있습니다. 수성 현탁액에서 초음파를 이용한 응집체 해체는 응집체를 확실하게 분해하고 안정적인 콜로이드를 형성합니다. pH 조절을 위한 간단한 염 첨가와 결합하면 이 방법은 간편하고 저렴하며 오염 물질을 유입하지 않는 접근법을 제공합니다. 초음파 분산은 규모 확장이 가능하고 구현이 간단하므로 실험실 연구뿐만 아니라 산업 규모의 나노다이아몬드 처리에도 매우 적합합니다.
효율적이고 오염 없는 나노다이아몬드 응집체 해체
나노다이아몬드는 생물의학, 양자 기술, 마찰학 및 첨단 복합재에 점점 더 많이 활용되고 있지만, 단단한 응집체를 형성하는 고유한 경향으로 인해 성능이 제한되는 경우가 많습니다. 따라서 개별 입자로 이루어진 안정적인 콜로이드를 얻는 것은 정확한 특성 분석과 신뢰할 수 있는 응용을 위한 전제 조건입니다. 기존의 응집체 해체 방법은 지르코니아나 기타 불순물을 유입시키는 강도 높은 분쇄 기술에 의존하는 경우가 많아 정제를 복잡하게 하고 생물의학적 사용을 제한합니다. 초음파 분산은 빠르고 규모 확장이 가능하며 오염 물질을 유입하지 않는 대안을 제공합니다. 프로브형 초음파 처리기는 수성 매질에서 음향 캐비테이션을 이용하여 응집체를 한 자릿수 나노미터 크기의 나노다이아몬드로 효율적으로 분해합니다. 간단한 염 보조 pH 조절과 결합하면 이 방법은 독성 부산물을 유입하지 않으면서 넓은 pH 범위에서 안정적인 콜로이드를 생성하므로 실험실 연구와 산업 규모 생산 모두에 매우 매력적입니다.
Hielscher 초음파 처리기를 사용하면 나노다이아몬드를 효율적이고 안정적으로 분산시킬 수 있습니다.
나노다이아몬드 수성 슬러리의 산업용 인라인 생산을 위한 초음파 유통식 반응기.
나노다이아몬드의 초음파 분쇄 및 분산은 어떻게 작동하나요?
초음파 분산은 나노다이아몬드 자체를 분쇄 매체로 사용합니다. 고출력 초음파에 의해 발생하는 음향 캐비테이션은 고속 액체 흐름을 생성합니다. 이러한 액체 흐름은 슬러리 내 입자(예: 다이아몬드)를 가속하여 입자들이 최대 280km/s의 속도로 충돌하고 미세한 나노 크기 입자로 부서지게 합니다. 따라서 초음파 분쇄 및 분산은 간편하고 저렴하며 오염 물질을 유입하지 않는 기술로, 나노다이아몬드의 응집체를 확실하게 해체하여 넓은 pH 범위의 수성 콜로이드 용액에서 안정적인 나노 크기 입자를 형성합니다. 염(염화나트륨)은 수성 슬러리에서 나노다이아몬드를 안정화하는 데 사용됩니다.
분석 전 시료 준비를 위한 초음파 나노다이아몬드 응집체 해체에 대해 자세히 알아보세요!
- 매우 효율적인 나노 크기 분산
- 빠른 처리
- 무독성, 무용매
- 제거하기 어려운 불순물 없음
- 에너지 및 비용 절감
- 모든 생산 규모로 선형적인 규모 확장 가능
- 친환경적
비드 밀보다 뛰어난 초음파 나노다이아몬드 분쇄
프로브형 초음파 처리기는 매우 효과적인 분쇄 장치이며, 이를 이용한 분쇄는 산업 규모에서 나노다이아몬드 현탁액을 대량 생산하는 데 확립된 기술입니다. 초음파 분쇄기는 나노다이아몬드 자체를 분쇄 매체로 사용하므로 지르코니아 비드 등의 분쇄 매체로 인한 오염을 완전히 방지합니다. 대신 초음파 캐비테이션력이 입자를 가속하여 나노다이아몬드가 서로 격렬하게 충돌하고 균일한 나노 크기로 분쇄되도록 합니다. 초음파로 유도되는 이러한 입자 간 충돌은 균일하게 분포된 나노분산액을 생산하는 매우 효율적이고 신뢰할 수 있는 방법입니다.
초음파 분산 및 응집체 해체 방법은 pH 조절과 초음파 분산액의 안정화를 위해 염화나트륨이나 자당과 같은 수용성, 무독성, 비오염성 첨가제를 사용합니다. 이러한 염화나트륨이나 자당의 결정 구조는 추가로 분쇄 매체 역할도 하여 초음파 분쇄 공정을 돕습니다. 분쇄 공정이 완료되면 이 첨가제는 물로 간단히 헹구어 쉽게 제거할 수 있으며, 이는 세라믹 비드를 사용하는 공정에 비해 현저한 장점입니다. 어트리터를 사용하는 방식과 같은 기존의 비드 분쇄는 불용성 세라믹 분쇄 매체(예: 볼, 비드 또는 구슬)를 사용하며, 이 매체의 마모 잔류물이 최종 분산액을 오염시킵니다. 분쇄 매체로 인한 오염을 제거하려면 복잡한 후처리가 필요하며 시간과 비용이 많이 듭니다.
초음파 분산 기술은 입도 분포가 좁은 나노다이아몬드 수성 현탁액을 효과적으로 생산합니다.
(연구 및 그림: ©Turcheniuk et al., 2016)
UP400St 초음파 처리기를 이용한 수성 콜로이드 용액 내 나노다이아몬드 분산
나노다이아몬드의 입자 크기 감소에 사용되는 초음파 처리기 UIP1000hdT. 빨간색 곡선은 초음파 처리하지 않은 시료를 나타내며, 다른 곡선들은 초음파 에너지 투입량이 증가함에 따라 진행되는 분산 과정을 보여줍니다.
초음파 나노다이아몬드 분산 프로토콜 예시
수중 나노다이아몬드의 염 보조 초음파 응집체 해체:
염화나트륨 10 g과 나노다이아몬드 분말 0.250 g의 혼합물을 도자기 막자사발과 막자를 사용하여 손으로 짧게 분쇄한 후, 탈이온수 5 mL와 함께 20 mL 유리 바이알에 넣었습니다. 준비한 시료를 프로브형 초음파 처리기로 출력 60%, 듀티 사이클 50%에서 100 min 동안 초음파 처리했습니다. 초음파 처리 후 시료를 두 개의 50 mL 플라스틱 Falcon 원심분리 튜브에 균등하게 나누고, 총부피가 최대 100 mL(2 × 50 mL)가 되도록 증류수에 분산시켰습니다. 그런 다음 각 시료를 Eppendorf 원심분리기 5810-R로 4000 rpm, 25°C에서 10 min 동안 원심분리한 후 맑은 상등액을 버렸습니다. 이어서 젖은 ND 침전물을 증류수(총부피 100 mL)에 재분산시키고 12,000 rpm, 25 °C에서 1 h 동안 두 번째로 원심분리했습니다. 맑은 상등액을 다시 버리고, 이번에는 특성 분석을 위해 젖은 나노다이아몬드 침전물을 증류수 5 mL에 재분산시켰습니다. 표준 AgNO3 분석 결과, Cl− 이온이 위에서 설명한 대로 증류수로 두 번 세척한 염 보조 초음파 응집체 해체 나노다이아몬드에 전혀 존재하지 않는 것으로 나타났습니다. 시료에서 물을 증발시킨 후 검은색 고체 나노다이아몬드 “칩”의 형성이 관찰되었으며, 수득량은 ∼200 mg으로 초기 나노다이아몬드 질량의 80%였습니다. (아래 그림 참조)
(Turcheniuk et al., 2016 참조)
초음파로 분산시킨 나노다이아몬드의 건조 시료.
(연구 및 그림: ©Turcheniuk et al., 2016)
나노다이아몬드 분산액용 고성능 초음파 처리기
Hielscher Ultrasonics는 나노다이아몬드 슬러리, 연마 매체 및 나노복합재 제조와 같은 고강도 작업용 고성능 초음파 분쇄 및 분산 장비를 설계, 제조 및 공급합니다. Hielscher 초음파 처리기는 나노소재를 수성 콜로이드 현탁액, 고분자, 수지, 코팅제 및 기타 고성능 소재에 분산시키는 데 전 세계적으로 사용됩니다.
Hielscher 초음파 분산기는 저점도부터 고점도까지 다양한 점도의 물질을 안정적이고 효율적으로 처리합니다. 투입 물질과 목표 최종 입자 크기에 따라 초음파 강도를 정밀하게 조절하여 최적의 공정 결과를 얻을 수 있습니다.
점성 페이스트, 나노소재 및 고농도 고형분을 처리하려면 초음파 분산기가 높은 진폭을 지속적으로 생성할 수 있어야 합니다. Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 처리기는 최대 부하에서 연속 운전하면서 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로 하루 24시간, 주 7일 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 고충전 나노슬러리, 나노 강화 고분자 혼합물 및 나노복합재의 최적 배합을 위한 초음파 공정 조건을 맞추려면 초음파 분산기를 높은 진폭으로 운전하고 진폭을 정밀하게 조절할 수 있어야 합니다.
초음파 진폭 외에 압력도 매우 중요한 공정 매개변수입니다. 압력이 높아지면 초음파 캐비테이션의 강도와 전단력이 증가합니다. Hielscher 초음파 반응기는 가압할 수 있으므로 초음파 처리 효과를 강화할 수 있습니다.
공정 모니터링과 데이터 기록은 지속적인 공정 표준화와 제품 품질에 중요합니다. 연결식 압력 및 온도 센서는 초음파 발생기에 유선으로 연결되어 초음파 분산 공정을 모니터링하고 제어합니다. 초음파 에너지(순에너지 + 총에너지), 온도, 압력 및 시간과 같은 모든 주요 공정 매개변수는 자동으로 기록되어 내장 SD 카드에 저장됩니다. 자동으로 기록된 공정 데이터에 접근하여 이전 초음파 처리 작업을 검토하고 공정 결과를 평가할 수 있습니다.
당사의 디지털 초음파 시스템이 제공하는 또 다른 사용자 친화적 기능은 브라우저 원격 제어입니다. 브라우저 원격 제어를 통해 어디서든 초음파 처리기를 원격으로 시작, 정지, 조절 및 모니터링할 수 있습니다.
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아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 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 |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| 해당 없음 | 10–100L/min | UIP16000 |
| 해당 없음 | 더 높은 유량 | 클러스터 구성: UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics는 실험실, 파일럿 및 산업 규모의 혼합, 분산, 유화 및 추출 용도로 사용하는 고성능 초음파 균질기를 제조합니다.
문헌 / 참고문헌
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., & Mochalin, V. N. (2016): Salt-Assisted Ultrasonic Deaggregation of Nanodiamond. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 2016. 25461–25468.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue 1. January 9, 2020.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Mondragón Cazorla R., Juliá Bolívar J. E.,Barba Juan A., Jarque Fonfría J. C. (2012): Characterization of silica–water nanofluids dispersed with an ultrasound probe: A study of their physical properties and stability. Powder Technology Vol. 224, 2012.
Hielscher Ultrasonics는 실험실 규모부터 산업 규모에 이르는 고성능 초음파 균질기를 제조합니다.