Nanomateriālu (nanodaļiņu) disperģēšana ar ultraskaņu
Nanomateriāli ir kļuvuši par neatņemamu sastāvdaļu tik dažādos produktos kā augstas veiktspējas materiāli, saules aizsarglīdzekļi, augstas veiktspējas pārklājumi vai plastmasas kompozītmateriāli. Ultraskaņas kavitāciju izmanto, lai disperģētu nanoizmēra daļiņas šķidrumos, piemēram, ūdenī, eļļā, šķīdinātājos vai sveķos.
Nanodaļiņu disperģēšana ar ultraskaņu
Izmantojot nanodaļiņu disperģēšanu ar ultraskaņu, tiek panākta daudzveidīga iedarbība. Acīmredzamākā ir materiālu disperģēšana šķidrumos daļiņu aglomerātu sašķelšanai. Vēl viens process ir ultraskaņas izmantošana daļiņu sintēzes vai izgulsnēšanas laikā. Parasti tā rezultātā rodas mazākas daļiņas un palielinās to izmēra viendabīgums. Ultraskaņas kavitācija uzlabo arī masas pārnesi pie daļiņu virsmām. Šo efektu var izmantot, lai uzlabotu virsmas funkcionalizāciju materiāliem ar lielu īpatnējo virsmas laukumu.
Nanomateriālu disperģēšana un izmēra samazināšana
Nanomateriāliem, piemēram, metālu oksīdiem, nanomāliem vai oglekļa nanocaurulītēm, ir tendence veidot aglomerātus, kad tos iemaisa šķidrumā. Efektīvi deaglomerācijas un disperģēšanas paņēmieni ir nepieciešami, lai pārvarētu saistīšanās spēkus pēc pulvera samitrināšanas. Aglomerātu struktūru sašķelšana ar ultraskaņu ūdens un neūdens suspensijās ļauj izmantot visu nanoizmēra materiālu potenciālu. Pētījumi par dažādām nanodaļiņu aglomerātu dispersijām ar atšķirīgu cietvielu saturu ir pierādījuši ievērojamas ultraskaņas priekšrocības salīdzinājumā ar citām tehnoloģijām, piemēram, rotora–statora maisītājiem (piemēram, ultra turrax), virzuļu homogenizatoriem vai slapjās malšanas metodēm, piemēram, lodīšu dzirnavām vai koloīddzirnavām. Hielscher ultraskaņas sistēmas var darbināt ar samērā augstu cietvielu koncentrāciju. Piemēram, attiecībā uz silīcija dioksīdu tika konstatēts, ka sašķelšanas ātrums nav atkarīgs no cietvielu koncentrācijas līdz 50% pēc masas. Ultraskaņu var izmantot augstas koncentrācijas meistarmaisījumu disperģēšanai – apstrādājot šķidrumus ar zemu un augstu viskozitāti. Tas padara ultraskaņu par labu apstrādes risinājumu krāsām un pārklājumiem uz dažādu vižu, piemēram, ūdens, sveķu vai eļļas, bāzes.
Ultraskaņas homogenizators UP400St nanodispersijām
Ultraskaņas kavitācija
Disperģēšana un deaglomerācija, apstrādājot ar ultraskaņu, ir ultraskaņas kavitācijas rezultāts. Pakļaujot šķidrumus ultraskaņas iedarbībai, skaņas viļņi, kas izplatās šķidrumā, rada pārmaiņus augsta un zema spiediena ciklus. Tas rada mehānisku slodzi, kas iedarbojas uz pievilkšanās spēkiem starp atsevišķām daļiņām. Ultraskaņas kavitācija šķidrumos rada ātras šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 1000km/hr (aptuveni 600mph). Šādas strūklas ar augstu spiedienu iespiež šķidrumu starp daļiņām un atdala tās citu no citas. Mazākās daļiņas šķidruma strūklās tiek paātrinātas un saduras lielā ātrumā. Tas padara ultraskaņu par efektīvu līdzekli gan disperģēšanai, gan arī malšanai mikrometru un submikrometru izmēra daļiņām.
Ar ultraskaņu veicināta daļiņu sintēze / izgulsnēšana
Nanodaļiņas var iegūt ar augšupejošu pieeju, izmantojot sintēzi vai izgulsnēšanu. Sonoķīmija ir viena no agrākajām metodēm, ko izmantoja nanoizmēra savienojumu iegūšanai. Suslick savā sākotnējā darbā apstrādāja ar ultraskaņu Fe(CO)5 vai nu tīra šķidruma veidā, vai deaclin šķīdumā un ieguva 10–20nm lielas amorfas dzelzs nanodaļiņas. Parasti pārsātinātā maisījumā no augstas koncentrācijas materiāla sāk veidoties cietas daļiņas. Apstrāde ar ultraskaņu uzlabo prekursoru sajaukšanos un palielina masas pārnesi pie daļiņu virsmas. Tā rezultātā daļiņas ir mazākas un viendabīgākas.
UIP2000hdT, ultraskaņas ierīce ar 2kW jaudu SWCNT disperģēšanai.
Virsmas funkcionalizācija, izmantojot ultraskaņu
Daudzi nanomateriāli, piemēram, metālu oksīdi, tintes strūklas drukas tintes un tonera pigmenti vai pildvielas augstas veiktspējas pārklājumiem, prasa virsmas funkcionalizāciju. Lai funkcionalizētu katras atsevišķās daļiņas visu virsmu, ir nepieciešama laba disperģēšanas metode. Disperģētas daļiņas parasti ieskauj pie daļiņas virsmas pievilktu molekulu robežslānis. Lai jaunas funkcionālās grupas varētu sasniegt daļiņas virsmu, šis robežslānis ir jāsaārda vai jānoņem. Ultraskaņas kavitācijas radītās šķidruma strūklas var sasniegt ātrumu līdz 1000km/hr. Šī mehāniskā iedarbība palīdz pārvarēt pievilkšanās spēkus un nogādā funkcionālās molekulas pie daļiņas virsmas. Sonoķīmijā šo efektu izmanto, lai uzlabotu disperģētu katalizatoru darbības efektivitāti.
Apstrāde ar ultraskaņu pirms daļiņu izmēra mērīšanas
Paraugu apstrāde ar ultraskaņu uzlabo daļiņu izmēra vai morfoloģijas mērījumu precizitāti. Jaunais SonoStep kompaktā konstrukcijā apvieno paraugu apstrādi ar ultraskaņu, maisīšanu un sūknēšanu. Tas ir viegli lietojams, un to var izmantot, lai ar ultraskaņu apstrādātus paraugus nogādātu analītiskajās ierīcēs, piemēram, daļiņu izmēra analizatoros. Intensīva apstrāde ar ultraskaņu palīdz disperģēt aglomerētās daļiņas, nodrošinot konsekventākus rezultātus. Noklikšķiniet šeit, lai lasītu vairāk!
Apstrāde ar ultraskaņu laboratorijas un ražošanas mērogā
Ultraskaņas procesori un plūsmas šūnas deaglomerācijai un disperģēšanai ir pieejami laboratorijas un ražošanas mērogam. Rūpnieciskās sistēmas var viegli pielāgot darbam plūsmā. Pētniecībai un procesu izstrādei iesakām izmantot UIP1000hd (1 000 vati).
Hielscher piedāvā plašu ultraskaņas ierīču un piederumu klāstu efektīvai nanomateriālu disperģēšanai, piemēram, krāsās, tintēs un pārklājumos.
- Kompaktas laboratorijas ierīces ar jaudu līdz 400 vatiem.
Šīs ierīces galvenokārt izmanto paraugu sagatavošanai vai sākotnējiem īstenojamības pētījumiem, un tās ir pieejamas nomai. - 500 un 1 000 un 2 000 vatu ultraskaņas procesori, piemēram, UIP1000hd komplekts ar plūsmas šūnu un dažādiem amplitūdas pastiprinātājiem un sonotrodēm, var apstrādāt lielāka tilpuma plūsmas.
Šādas ierīces izmanto parametru (piemēram, amplitūdas, darba spiediena, plūsmas ātruma utt.) optimizēšanai galda iekārtu vai pilotiekārtu mērogā. - Ultraskaņas procesori ar jaudu 2kW, 4kW, 10kW un 16kW un lielākas vairāku šādu ierīču grupas var apstrādāt ražošanas apjoma plūsmas gandrīz jebkurā mērogā.
Procesu izmēģinājumiem galda iekārtas ir pieejamas nomai ar izdevīgiem nosacījumiem. Šādu izmēģinājumu rezultātus var lineāri mērogot līdz ražošanas līmenim – samazinot ar procesa izstrādi saistīto risku un izmaksas. Mēs labprāt palīdzēsim jums tiešsaistē, pa tālruni vai klātienē. Lūdzu, skatiet mūsu adreses šeit vai izmantojiet tālāk redzamo veidlapu.
Tālāk redzamajā tabulā ir sniegts priekšstats par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lielāks | ierīču grupa ar UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Uzdodiet mums jautājumus!
Nanomateriāli – pamatinformācija
Nanomateriāli ir materiāli, kuru izmērs ir mazāks par 100nm. Tie strauji ienāk krāsu, tinšu un pārklājumu sastāvos. Nanomateriālus iedala trīs plašās kategorijās: metālu oksīdi, nanomāli un oglekļa nanocaurulītes. Metālu oksīdu nanodaļiņas ietver nanomēroga cinka oksīdu, titāna oksīdu, dzelzs oksīdu, cērija oksīdu un cirkonija oksīdu, kā arī jauktu metālu savienojumus, piemēram, indija un alvas oksīdu, un cirkoniju un titānu, kā arī jauktu metālu savienojumus, piemēram, indija un alvas oksīdu. Šī sīkā viela ietekmē daudzas zinātnes nozares, piemēram, fiziku, ķīmiju un bioloģiju. Krāsās un pārklājumos nanomateriāli nodrošina dekoratīvās īpašības (piemēram, krāsu un spīdumu), pilda funkcionālus uzdevumus (piemēram, nodrošina elektrovadītspēju un mikroorganismu inaktivāciju) un uzlabo krāsu un pārklājumu aizsargājošās īpašības (piemēram, izturību pret skrāpējumiem un UV starojumu). Jaunu krāsu un pārklājumu sastāvos īpaši izmanto nanomēroga metālu oksīdus, piemēram, TiO2 un ZnO vai alumīnija oksīdu, cērija oksīdu un silīcija dioksīdu un nanoizmēra pigmentus.
Samazinot vielas izmēru, mainās tās īpašības, piemēram, krāsa un mijiedarbība ar citām vielām, tostarp ķīmiskā reaģētspēja. Īpašību izmaiņas izraisa elektronisko īpašību izmaiņas. Veicot daļiņu izmēra samazināšanu, palielinās materiāla virsmas laukums. Tādēļ lielāka atomu daļa var mijiedarboties ar citām vielām, piemēram, ar sveķu matricu.
Virsmas aktivitāte ir būtiska nanomateriālu īpašība. Aglomerācija un agregācija neļauj virsmas laukumam nonākt saskarē ar citām vielām. Tikai labi disperģētas vai atsevišķi disperģētas daļiņas ļauj pilnībā izmantot vielas labvēlīgo īpašību potenciālu. Tādējādi laba disperģēšana samazina nanomateriālu daudzumu, kas nepieciešams tāda paša efekta sasniegšanai. Tā kā lielākā daļa nanomateriālu joprojām ir samērā dārgi, šim aspektam ir liela nozīme nanomateriālus saturošu produktu sastāvu komercializācijā. Mūsdienās daudzus nanomateriālus ražo sausā procesā. Tādēļ daļiņas ir jāiemaisa šķidros sastāvos. Tieši šajā posmā samitrināšanas laikā lielākā daļa nanodaļiņu veido aglomerātus. Īpaši oglekļa nanocaurulītēm piemīt ļoti spēcīga savstarpējā saķere, kas apgrūtina to disperģēšanu šķidrumos, piemēram, ūdenī, etanolā, eļļā, polimērā vai epoksīdsveķos. Parastās apstrādes ierīces, piemēram, augstas bīdes intensitātes vai rotora–statora maisītāji, augstspiediena homogenizatori vai koloīdu un disku dzirnavas, nespēj pietiekami atdalīt nanodaļiņas atsevišķās daļiņās. Īpaši sīkām daļiņām, kuru izmērs ir no vairākiem nanometriem līdz pāris mikrometriem, ultraskaņas kavitācija ir ļoti efektīva aglomerātu, agregātu un pat primāro daļiņu sašķelšanā. Ja ultraskaņu izmanto malšanai partijās ar augstu koncentrāciju, ultraskaņas kavitācijas radītās šķidruma strūklas liek daļiņām sadurties citai ar citu ar ātrumu līdz 1000km/h. Tas pārvar van der Vālsa spēkus aglomerātos un pat primārajās daļiņās.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanai, disperģēšanai, emulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijas, pilotiekārtu un rūpnieciskā mērogā.