산업용 응용 분야를 위한 신뢰할 수 있는 나노입자 분산

고출력 초음파 처리는 입자 응집체를 효율적이고 신뢰성 있게 해체할 수 있으며, 일차 입자까지 파쇄할 수 있습니다. 프로브형 초음파 처리기는 뛰어난 분산 성능 덕분에 균질한 나노입자 현탁액을 만드는 데 선호되는 방법으로 사용됩니다.

초음파 처리를 통한 신뢰할 수 있는 나노입자 분산

많은 산업 분야에서는 나노입자를 함유한 현탁액을 제조해야 합니다. 나노입자는 입자 크기가 100nm 미만인 고체입니다. 나노입자는 입자 크기가 극히 작기 때문에 탁월한 강도, 경도, 광학적 특성, 연성, 자외선 저항성, 전도성, 전기적 및 전자기적(EM) 특성, 내식성, 내스크래치성 등 여러 가지 뛰어난 고유 특성을 나타냅니다.
고강도 저주파 초음파는 강력한 음향 캐비테이션을 생성하며, 이는 전단력, 매우 큰 압력 및 온도 차이, 난류와 같은 극한 조건을 특징으로 합니다. 이러한 캐비테이션 힘은 입자를 가속하여 입자 간 충돌을 일으키고, 그 결과 입자를 파쇄합니다. 이에 따라 입도 분포 곡선의 폭이 좁고 균일하게 분포된 나노구조 재료를 얻을 수 있습니다.
초음파 분산 장비는 점도가 낮은 수준부터 매우 높은 수준까지 다양한 물 및 유기 용매 매질에서 모든 종류의 나노재료를 처리하는 데 적합합니다.

탄소 나노튜브의 초음파 분산

초음파 분산기는 탄소 나노튜브(CNTs)를 분산하는 데 널리 사용됩니다. 초음파 처리는 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNTs)와 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNTs)의 얽힘을 풀고 분산하는 신뢰할 수 있는 방법입니다. 예를 들어, 전도성이 높은 열가소성 고분자를 제조하기 위해 고순도(> 95%) Nanocyl® 3100(MWCNTs; 외경 9.5 nm; 순도 95 +%)을 실온에서 Hielscher UP200S로 30분간 초음파 분산했습니다. 에폭시 수지 내 농도 1% w/w로 초음파 분산된 Nanocyl® 3100 MWCNTs는 약 1.5 × 10-2 S /m의 우수한 전도성을 나타냈습니다.

니켈 나노입자의 초음파 분산

니켈 나노입자는 초음파 보조 히드라진 환원 합성을 통해 성공적으로 제조할 수 있습니다. 히드라진 환원 합성 경로에서는 히드라진으로 염화니켈을 화학적으로 환원하여 구형의 순수 금속 니켈 나노입자를 제조할 수 있습니다. Adám 연구진이 입증한 바에 따르면, 초음파 처리는 – 사용 장비: Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – 적용된 온도와 무관하게 평균 일차 결정립 크기(7–8 nm)를 유지할 수 있었으며, 강도가 높고 시간이 짧은 초음파 처리를 통해 계면활성제를 전혀 사용하지 않고도 응집된 이차 입자의 용매역학적 직경을 710 nm에서 190 nm로 줄일 수 있었습니다. 온화한 조건(출력 30 W)에서 연속 초음파 처리로 제조한 나노입자에서 가장 높은 산도와 촉매 활성이 측정되었습니다. 기존 방식과 초음파 방식으로 제조한 다섯 가지 시료를 대상으로 스즈키–미야우라 교차 결합 반응에서 나노입자의 촉매 거동을 시험했습니다. 초음파로 제조한 촉매는 대체로 더 우수한 성능을 보였으며, 저출력(30 W) 연속 초음파 처리로 제조한 나노입자에서 가장 높은 촉매 활성이 측정되었습니다.
초음파 처리는 나노입자의 응집 경향에 결정적인 영향을 미쳤습니다. 강력한 물질 전달을 동반한 캐비테이션 기포 붕괴의 탈파편화 효과는 인력성 정전기력을 극복할 수 있었으며, 강력한 물질 전달을 동반한 캐비테이션 기포 붕괴의 탈파편화 효과는 입자 사이의 인력성 정전기력과 반데르발스 힘을 극복할 수 있었습니다.
(Adám et al. 2020 참조)

규회석 나노입자의 초음파 합성

규회석은 화학식이 CaSiO3인 칼슘 이노규산염 광물입니다. 규회석은 건설 산업에서 시멘트, 유리, 벽돌 및 타일 생산용 성분으로, 강철 주조 시 융제로, 코팅제 및 도료 제조 시 첨가제로 널리 사용됩니다. 예를 들어, 규회석은 보강, 경화, 낮은 흡유량 및 기타 개선 효과를 제공합니다. 규회석의 우수한 보강 특성을 얻으려면 나노 규모의 해응집과 균일한 분산이 필수적입니다.
Dordane과 Doroodmand(2021)는 연구를 통해 초음파 분산이 규회석 나노입자의 크기와 형태에 상당한 영향을 미치는 매우 중요한 요인임을 입증했습니다. 초음파 처리가 규회석의 나노 분산에 기여하는 정도를 평가하기 위해 연구팀은 고출력 초음파를 적용한 조건과 적용하지 않은 조건에서 규회석 나노입자를 합성했습니다. 연구진은 초음파 처리 실험을 위해 초음파 프로세서 UP200H(Hielscher Ultrasonics)를 주파수 24 kHz로 45.0 min 동안 사용했습니다. 초음파 나노 분산 결과는 아래의 고해상도 SEM 이미지에 제시되어 있습니다. SEM 이미지는 초음파 처리 전의 규회석 시료가 해응집되지 않은 응집체와 집합체를 형성하고 있음을 명확히 보여줍니다. UP200H 초음파 처리기로 처리한 후 규회석 입자의 평균 크기는 약 10nm입니다. 이 연구는 초음파 분산이 규회석 나노입자 합성을 위한 신뢰할 수 있고 효율적인 기법임을 입증합니다. 평균 나노입자 크기는 초음파 처리 매개변수를 조정하여 제어할 수 있습니다.
(Dordane and Doroodmand, 2021 참조)

규회석 나노입자의 SEM 이미지: (A) 초음파 처리 전 및 (B) 초음파 프로세서 UP200H를 사용하여 45.0 min 동안 초음파 처리한 후.
연구 및 사진: ©Dordane and Doroodmand, 2021.

초음파 나노필러 분산

초음파 처리는 고분자, 에폭시 수지, 경화제, 열가소성 수지 등의 액체와 슬러리에서 나노충전제를 분산하고 해응집하는 다목적 방법입니다. 따라서 초음파 처리는 연구개발 및 산업 생산에서 고효율 분산 방법으로 널리 사용됩니다.
Zanghellini 등(2021)은 에폭시 수지 내 나노충전제의 초음파 분산 기술을 연구했습니다. 이 연구에서는 초음파 처리로 낮은 농도와 높은 농도의 나노충전제를 고분자 매트릭스에 분산할 수 있음을 입증했습니다.
다양한 배합을 비교한 결과, 0.5 wt% 산화 CNT는 초음파 처리한 모든 시료 중 가장 우수한 결과를 보였습니다. 대부분의 응집체는 삼롤 밀로 제조한 시료와 비슷한 범위의 크기 분포를 나타냈으며, 경화제와의 결합이 양호하고 분산액 내부에 퍼콜레이션 네트워크가 형성되었습니다. 이는 침강에 대한 안정성, 나아가 적절한 장기 안정성을 시사합니다. 충전제 함량이 더 높은 경우에도 비슷하게 양호한 결과를 보였지만, 내부 네트워크가 더 뚜렷하게 형성되고 응집체도 다소 커졌습니다. 탄소 나노섬유(CNF)도 초음파 처리로 성공적으로 분산할 수 있었습니다. 추가 용매 없이 경화제 시스템 내에서 나노충전제를 직접 초음파(US) 분산하는 데 성공했으며, 따라서 이 방법은 산업적 활용 가능성을 갖춘 간단하고 직접적인 분산 방법으로 볼 수 있습니다. (참조: Zanghellini et al., 2021)
 

경화제에 분산된 다양한 나노충전제의 비교(초음파 처리–US): (a) 0.5 wt% 탄소 나노섬유(CNF); (b) 0.5 wt% CNToxi; (c) 0.5 wt% 탄소 나노튜브(CNT); (d) 부분 분산된 0.5 wt% CNT.
(연구 및 사진: © Zanghellini et al., 2021)

나노입자의 초음파 분산 – 과학적으로 입증된 우수성

수많은 정교한 연구에서 초음파 분산은 액체 내 나노입자의 농도가 높은 경우에도 나노입자를 해응집하고 분포시키는 우수한 기술 중 하나임이 밝혀졌습니다. 예를 들어, Vikash(2020)는 Hielscher 초음파 분산기 UP400S를 사용하여 점성 액체에 고함량으로 투입된 나노실리카의 분산을 연구했습니다. 이 연구에서는 “점성 액체의 고형분 함량이 높은 경우에도 초음파 장치를 사용하여 나노입자를 안정적이고 균일하게 분산할 수 있다”고 결론지었습니다. [Vikash, 2020]

나노입자 분산용 고성능 초음파 처리기

Hielscher Ultrasonics는 실험실 및 파일럿 규모부터 완전한 산업용 시스템까지 신뢰할 수 있는 고성능 초음파 장비를 공급하는 믿음직한 파트너입니다. Hielscher Ultrasonics의 장치는 정교한 하드웨어, 스마트 소프트웨어, 탁월한 사용자 편의성을 갖추고 있으며 – 독일에서 설계 및 제조됩니다. 분산, 해응집, 나노입자 합성 및 기능화에 사용되는 Hielscher의 견고한 초음파 장비는 전부하에서 24/7/365 가동할 수 있습니다. 공정 및 생산 시설에 따라 당사의 초음파 처리기를 배치 방식 또는 연속 인라인 방식으로 운전할 수 있습니다. 소노트로드(초음파 프로브), 부스터 혼, 플로우 셀 및 반응기 등 다양한 부속품도 손쉽게 구할 수 있습니다.
당사의 초음파 나노분산 시스템에 관한 추가 기술 정보, 과학 연구 자료, 프로토콜 및 견적을 받으시려면 지금 문의해 주십시오! 충분한 교육을 받고 오랜 경험을 쌓은 직원들이 고객의 나노 응용 분야에 관해 기꺼이 상담해 드립니다!

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: