Hielscher 초음파 기술

나노 다이아몬드의 초음파 합성

  • 강렬한 캐비테이션 력 (cavitational force) 때문에, 전력 초음파는 흑연으로부터 마이크론 및 나노 크기의 다이아몬드를 생산하는 유망한 기술입니다.
  • 마이크로 및 나노 결정 다이아몬드는 대기압 및 실내 온도에서 유기 액체의 흑연 현탁액을 초음파로 합성 할 수 있습니다.
  • 또한 초음파는 합성 된 나노 다이아몬드의 후 처리에 유용한 도구로서, 나노 입자가 매우 효과적으로 분산되고 응집 해제되고 기능화됩니다.

Nanodiamond 치료를위한 초음파

Nanodiamonds (폭발 다이아몬드 (DND) 또는 UDR (ultradispersed diamonds)라고도 함)는 고유 한 특성으로 구별되는 특별한 형태의 탄소 나노 물질입니다. 격자 구조, 그 큰 표면, 독특한 광학자성의 속성 및 뛰어난 응용 프로그램을 제공합니다. Ultradispersed 입자의 속성은 특별한 기능을 가진 새로운 재료를 창조하기위한 혁신적인 화합물입니다. 그을음의 다이아몬드 입자의 크기는 약 5nm이다.

나노 다이아몬드의 초음파 합성

초음파 처리 또는 폭발과 같은 강렬한 힘 하에서 흑연은 다이아몬드로 변형 될 수 있습니다.

초음파 합성 나노 다이아몬드

다이아몬드의 합성은 과학적 및 상업적 이익에 관한 중요한 연구 분야입니다. 미정 질 및 나노 결정질 다이아몬드 입자의 합성을 위해 일반적으로 사용되는 공정은 고압 - 고온 (HPHT) 기술입니다. 이 방법을 통해 수십만 기압의 요구되는 공정 압력과 2000K 이상의 온도가 산업 다이아몬드의 세계적인 공급의 주요 부분을 생산하기 위해 생성됩니다. 흑연을 다이아몬드로 변환시키기 위해서는 일반적으로 고압 및 고온이 필요하며, 촉매는 다이아몬드의 수율을 높이는 데 사용됩니다.
변환에 필요한 이러한 요구 사항은 고출력 초음파 (= 저주파, 고강도 초음파) :

초음파 캐비테이션

액체의 초음파는 국부적으로 매우 극단적 인 효과를 일으 킵니다. 높은 강도로 액체를 초음파 처리 할 때, 액체 매체로 전파되는 음파는 빈번하게 주파수에 따라 고압 (압축) 및 저압 (희박) 사이클을 번갈아 발생시킵니다. 저압 사이클 동안, 고강도 초음파는 액체 내에 작은 진공 기포 또는 공극을 생성합니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수 할 수없는 부피에 도달하면 고압 사이클 중에 격렬하게 붕괴됩니다. 이 현상은 캐비테이션. 내파 중 매우 높은 온도 (약 5,000K)와 압력 (약 2,000m)이 국지적으로 발생합니다. 캐비테이션 버블의 내파는 또한 최대 280m / s 속도의 액체 제트를 발생시킵니다. (Suslick 1998) 마이크로 및 나노 결정체 다이아몬드는 초음파 분야에서 합성 될 수있다. 캐비테이션.

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Nanodiamonds의 합성을위한 초음파 절차

사실, Khachatryan et al. (2008)은 대기압과 상온에서 유기 액체에서 흑연의 현탁액을 초음파 처리하여 다이아몬드 미결정을 합성 할 수 있음을 보여준다. 캐비테이션 유체로서, 포화 증기압이 낮고 고비 점 때문에 방향족 올리고머가 선택되었습니다. 이 액체에서는, 특별한 순수한 흑연 분말 – 100-200 μm 범위의 입자를 가진 입자가 일시 중지되었습니다. Kachatryan et al.의 실험에서, 고체 - 유체 중량비는 1 : 6이었고, 캐비테이션 유체 밀도는 1.1g cm-삼 25 ° C에서. sonoreactor의 최대 초음파 강도는 75-80W cm-2 15-16 bar의 음압 진폭에 해당합니다.
약 10 %의 흑연 - 다이아몬드 전환율을 달성했습니다. 다이아몬드는 거의 단 분산 6 또는 9μm ± 0.5μm 범위의 매우 날카 롭고 잘 설계된 크기로 입방, 수정 같은 형태학 및 고순도.

초음파 합성 다이아몬드 (SEM 이미지) : 고전력 초음파는 나노 다이아몬드 유도에 필요한 에너지를 제공합니다.' 합성

초음파 합성 다이아몬드의 SEM 이미지 : 그림 (a)와 (b)는 샘플 시리즈 1, (c)와 (d)의 샘플 시리즈 2를 보여줍니다. [Khachatryan et al. 2008]

그만큼 소송 비용 이 방법으로 생성 된 마이크로 및 나노 다이아몬드는 경쟁력있는 고압 - 고온 (HPHT) 공정 이것은 나노 다이아몬드의 생산 공정이 추가 조사에 의해 최적화 될 수 있기 때문에 초음파를 마이크로 다이아몬드 및 나노 다이아몬드 합성을위한 혁신적인 대안으로 만든다 (Khachatryan et al., 2008). 초음파 나노 다이아몬드 합성의 단점을 발견하기 위해 진폭, 압력, 온도, 캐비테이션 유체 및 농도와 같은 많은 변수를 정확하게 조사해야합니다.
나노 다이아몬드 합성에서 얻어진 결과에 의해, 추가로 초음파 생성 캐비테이션 입방 질화 붕소, 탄소 질화물 등과 같은 다른 중요한 화합물의 합성 가능성을 제공한다 (Khachatryan et al., 2008)
또한, 초음파 조사 하에서 다중 벽 탄소 나노 튜브 (MWCNT)로부터 다이아몬드 나노 와이어 및 나노 막대를 제조하는 것이 가능할 것으로 보인다. 다이아몬드 나노 와이어는 벌크 다이아몬드의 일차원 유사체입니다. 높은 탄성 계수, 강도 대 무게 비율 및 표면이 기능화 될 수있는 상대적 용이성으로 인해 다이아몬드는 나노 기계 설계에 최적 인 재료로 판명되었습니다. (Sun et al. 2004)

나노 다이아몬드의 초음파 분산

이미 설명한 바와 같이, 나노 다이아몬드의 고유 한 특성을 성공적으로 활용하기 위해서는 매체에서의 응집 해제 및 균일 한 입자 크기 분포가 필수적입니다.
분산해체 초음파의 결과는 초음파에 의한 것입니다. 캐비테이션. 액체를 초음파에 노출 시키면 액체로 전파되는 음파가 교대로 고압 및 저압 사이클을 유발합니다. 이것은 개별 입자 사이의 인력에 기계적 응력을가합니다. 액체에서의 초음파 캐비테이션은 최대 1000km / hr (약 600mph)의 고속 액체 분사를 유발합니다. 그러한 분사는 입자 사이의 고압에서 액체를 가압하고 서로로부터 분리시킨다. 작은 입자는 액체 제트로 가속되고 고속으로 충돌합니다. 이것은 초음파를 분산시키기위한 효과적인 방법으로 만든다. 갈기 미크론 - 크기 및 서브 미크론 크기의 입자.
예를 들어 나노 다이아몬드 (약 4nm의 평균 크기)와 폴리스티렌을 시클로 헥산에 분산시켜 특수 합성물을 얻을 수 있습니다. 그들의 연구에서 Chipara et al. (2010)은 폴리스티렌과 나노 다이아몬드 복합체를 제조했으며, 나노 다이아몬드는 0 ~ 25 % 중량 범위로 함유하고있다. 균등을 얻으려면 분산, 그들은 Hielscher 's와 60 분 동안 용액을 초음파 처리했다. UIP1000hd (1kW).

나노 다이아몬드의 초음파 보조 기능화

각 나노 크기 입자의 표면 전체를 기능화하기 위해서는 입자의 표면이 화학 반응에 이용 가능해야합니다. 이것은 잘 분산 된 입자가 입자 표면에 끌어 당겨진 분자의 경계층으로 둘러싸여 있기 때문에 균일하고 미세한 분산이 필요하다는 것을 의미합니다. 나노 다이아몬드의 표면에 새로운 작용기를 얻기 위해서는이 경계층이 깨지거나 제거되어야합니다. 이러한 경계층의 파괴 및 제거 과정은 초음파에 의해 수행 될 수있다.
액체에 도입 된 초음파는 캐비테이션, 2000K까지 국지적으로 매우 높은 온도 및 1000km / hr까지의 액체 제트. 이 응력 인자에 의해 흡착력 (예 : Van der Waals 힘)을 극복 할 수 있으며 기능성 분자는 나노 다이아몬드의 표면과 같이 기능화하기 위해 입자의 표면으로 운반된다.

Under powerful ultrasonic irradiation (e.g. with Hielscher's UIP2000hdT) it becomes possible to synthesis, deagglomerate and functionalize nanodiamonds efficiently.

Scheme 1 : 나노 다이아몬드의 in-deagglomeration과 표면 기능화의 그래픽 (Liang 2011)

Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) 치료에 대한 실험은 나노 다이아몬드의 표면 기능화에 대한 유망한 결과를 보여주었습니다. 따라서, 비드 (예 : ZrO2 비드와 같은 마이크로 크기의 세라믹 비드)가 초음파를 시행하는 데 사용되었습니다 공동 현상의 나노 다이아몬드 입자에 힘을가한다. 이 응집은 나노 다이아몬드 입자와 ZrO 사이의 입자 간 충돌로 인해 발생한다2 염주.
Boran 환원, 아릴 화 또는 실란 화와 같은 화학 반응을 위해 입자의 표면을보다 잘 이용할 수 있기 때문에 분산 목적으로 초음파 또는 BASD (비드 보조 음파 분해) 전처리를 적극 권장합니다. 초음파로 분산해체 화학 반응은 훨씬 더 완전하게 진행될 수있다.

고출력, 저주파 초음파가 액체 매질에 도입되면 캐비테이션이 발생합니다.

초음파 캐비테이션은 극단적 인 온도 및 압력 차동 및 고속 액체 제트를 초래합니다. 따라서, 전력 초음파는 혼합 및 밀링 어플리케이션에 대한 성공적인 처리 방법입니다.

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문학 / 참고 문헌

  • Chipara, AC 외 : 폴리스티렌에 분산 된 나노 다이아몬드 입자의 열적 성질. HESTEC 2010.
  • El-Say, KM : 약물 전달 시스템으로서의 나노 다이아몬드 : 적용 및 전망. J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; pp.
  • Khachatryan, A. Kh. et al .: 초음파 캐비테이션에 의한 흑연 - 다이아몬드 변환. 있음 : 다이아몬드 & 관련 자료 17, 2008; pp931-936.
  • Krueger, A .: 나노 스케일 다이아몬드의 구조와 반응성. In : J Mater Chem 18, 2008; pp. 1485-1492.
  • Liang, Y .: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung of Nanodiamant 미셀 thermochemischer 및 mechanochemischer 방법. 학위 논문 Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
  • Osawa, E .: Monodisperse 단일 나노 다이아몬드 미립자. In : Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
  • Pramatarova, L. 외. : 의학 응용을위한 폭발 나노 다이아몬드 입자를 이용한 고분자 복합체의 장점. 에서 : Biomimetics에; pp. 298-320.
  • Sun, L .; Gong, J .; Zhu, D .; Zhu, Z .; 그는 Carbon Nanotubes의 Diamond Nanorods입니다. In : Advanced Materials 16/2004. pp.1849-1853.
  • Suslick, KS : Kirk-Othmer 화학 기술 백과 사전. 4th ed. 제이 윌 에이 & 아들 : 뉴욕; 26, 1998; pp. 517-541.

나노 다이아몬드 – 사용 및 응용 프로그램

나노 다이아몬드 입자는 제타 전위 때문에 불안정합니다. 따라서 그들은 응집체를 형성하는 경향이 높습니다. 나노 다이아몬드의 일반적인 응용 분야는 연마제, 절삭 및 연마 도구 및 방열판에 사용하는 것입니다. 또 다른 잠재적 인 용도는 제약 활성 성분 (Pramatarova 참조)을위한 약물 운반체로서 나노 다이아몬드의 응용이다. 으로 초음파 처리, 첫째로 나노 다이아몬드는 흑연으로부터 합성 될 수 있고 둘째, 덩어리로 만드는 경향이있는 나노 다이아몬드는 고르게 분포 될 수있다 분산 된 (예 : 연마제를 조제하기 위해).