Ūdens suspensijā ar ultraskaņu disperģēti nanodimanti

Nanodimantu dispersijas var ātri un efektīvi pagatavot, izmantojot Hielscher ultraskaņas iekārtas. Ūdens suspensijā ultraskaņas deagregācija nodrošina uzticamu agregātu sadalīšanu un stabilu koloīdu veidošanos. Apvienojot šo metodi ar vienkāršu sāls pievienošanu pH regulēšanai, iegūst viegli īstenojamu, lētu pieeju, kas neievada piesārņotājus. Pateicoties mērogojamībai un vienkāršai īstenošanai, disperģēšana ar ultraskaņu ir ļoti piemērota ne tikai laboratorijas pētījumiem, bet arī nanodimantu apstrādei rūpnieciskā mērogā.

Efektīva nanodimantu deagregācija bez piesārņojuma

Nanodimantus arvien biežāk izmanto biomedicīnā, kvantu tehnoloģijās, triboloģijā un progresīvos kompozītmateriālos, tomēr tiem raksturīgā tendence veidot cietus agregātus bieži ierobežo to veiktspēju. Tādēļ stabilu koloīdu iegūšana no atsevišķām daļiņām ir priekšnoteikums precīzai raksturošanai un uzticamam lietojumam. Tradicionālās deagregācijas metodes bieži balstās uz intensīvām malšanas metodēm, kas ievada cirkonija dioksīdu vai citus piemaisījumus, sarežģījot attīrīšanu un ierobežojot izmantošanu biomedicīnā. Disperģēšana ar ultraskaņu piedāvā ātru, mērogojamu alternatīvu, kas neievada piesārņotājus. Izmantojot akustisko kavitāciju ūdens vidē, zondes tipa ultraskaņas iekārtas efektīvi sadala agregātus nanodimantos ar viencipara izmēru. Apvienojot šo metodi ar vienkāršu pH regulēšanu, izmantojot sāli, iegūst stabilus koloīdus plašā pH diapazonā, neievadot toksiskus blakusproduktus, tādēļ tā ir ļoti pievilcīga gan laboratorijas pētījumiem, gan ražošanai rūpnieciskā mērogā.

Nanodimantus var efektīvi un uzticami disperģēt, izmantojot Hielscher ultraskaņas iekārtas.

Kā darbojas nanodimantu malšana un disperģēšana ar ultraskaņu?

Disperģēšanā ar ultraskaņu pašus nanodimantus izmanto kā malšanas ķermeņus. Akustiskā kavitācija, ko rada lielas jaudas ultraskaņas viļņi, veido ātras šķidruma plūsmas. Šīs šķidruma plūsmas paātrina suspensijā esošās daļiņas (piemēram, dimantus), tādējādi daļiņas saduras ar ātrumu līdz 280km/s un sašķeļas sīkās nanoizmēra daļiņās. Tas padara malšanu un disperģēšanu ar ultraskaņu par viegli īstenojamu, lētu metodi, kas neievada piesārņotājus un uzticami deaglomerē nanodimantus nanoizmēra daļiņās, kuras ir stabilas ūdens koloidālajā šķīdumā plašā pH diapazonā. Sāli (nātrija hlorīdu) izmanto nanodimantu stabilizēšanai ūdens suspensijā.

 

 
Uzziniet vairāk par nanodimantu deagregāciju ar ultraskaņu paraugu sagatavošanai pirms analīzes!
 

Nanodimantu malšana ar ultraskaņu pārspēj lodīšu dzirnavas

Zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces ir ļoti efektīvas dzirnavas, un to izmantošana ir atzīta malšanas metode nanodimantu suspensiju lielapjoma ražošanai rūpnieciskā mērogā. Tā kā ultraskaņas dzirnavās par malšanas ķermeņiem izmanto pašus nanodimantus, piesārņojums no malšanas ķermeņiem, piemēram, cirkonija dioksīda lodītēm, tiek pilnībā novērsts. Tā vietā ultraskaņas kavitācijas spēki paātrina daļiņas, liekot nanodimantiem spēcīgi sadurties citam ar citu un sašķelties līdz vienmērīgam nanoizmēram. Šī ultraskaņas izraisītā daļiņu savstarpējā sadursme ir ļoti efektīva un uzticama metode nanodispersiju ar vienmērīgu daļiņu sadalījumu iegūšanai.
Ultraskaņas disperģēšanas un deagregācijas metodē pH regulēšanai un ultraskaņas dispersijas stabilizēšanai izmanto ūdenī šķīstošas, netoksiskas piedevas, kas nerada piesārņojumu, piemēram, nātrija hlorīdu vai saharozi. Šīs nātrija hlorīda vai saharozes kristāliskās struktūras papildus darbojas kā malšanas ķermeņi, tādējādi veicinot ultraskaņas malšanas procesu. Kad malšanas process ir pabeigts, šīs piedevas var viegli noņemt, vienkārši noskalojot ar ūdeni, kas ir ievērojama priekšrocība salīdzinājumā ar procesu, kurā izmanto keramikas lodītes. Tradicionālajā lodīšu malšanā, piemēram, atritoros, izmanto nešķīstošus keramikas malšanas ķermeņus (piemēram, lodes, lodītes vai pērlītes), kuru nodiluma atliekas piesārņo gala dispersiju. Malšanas ķermeņu radītā piesārņojuma noņemšana prasa sarežģītu pēcapstrādi un ir gan laikietilpīga, gan dārga.

Ultraskaņas disperģēšanas tehnoloģija ļauj efektīvi iegūt nanodimantu suspensijas ūdenī ar šauru daļiņu izmēru sadalījumu.
(Pētījums un attēls: ©Turcheniuk et al., 2016)

Nanodimantu ultraskaņas disperģēšanas protokola piemērs

Nanodimantu ultraskaņas deagregācija ūdenī ar sāls piedevu:
Maisījumu, kas sastāvēja no 10 g nātrija hlorīda un 0,250 g nanodimantu pulvera, īslaicīgi saberza ar rokām, izmantojot porcelāna piestu un piestalu, un ievietoja 20 mL stikla flakonā kopā ar 5 mL dejonizēta ūdens. Sagatavoto paraugu apstrādāja ar zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīci 100 min ar 60% izejas jaudu un 50% darba ciklu. Pēc apstrādes ar ultraskaņu paraugu vienādās daļās sadalīja divās 50 mL plastmasas Falcon centrifūgas mēģenēs un disperģēja destilētā ūdenī līdz 100 mL kopējam tilpumam (2 × 50 mL). Pēc tam katru paraugu centrifugēja ar Eppendorf centrifūgu 5810-R pie 4000 rpm un 25°C 10 min, un dzidro supernatantu izmeta. Mitrās ND nogulsnes pēc tam atkārtoti disperģēja destilētā ūdenī (kopējais tilpums 100 mL) un centrifugēja otro reizi pie 12 000 rpm un 25 °C 1 h. Dzidro supernatantu atkal izmeta, un mitrās nanodimantu nogulsnes atkārtoti disperģēja, šoreiz 5 mL destilēta ūdens, lai veiktu raksturošanu. Standarta AgNO3 tests uzrādīja pilnīgu Cl⁻ neesamību nanodimantos, kas deagregēti ar ultraskaņu, izmantojot sāls piedevu, un divreiz mazgāti ar destilētu ūdeni, kā aprakstīts iepriekš. Pēc ūdens iztvaicēšanas no paraugiem novēroja melnu, cietu nanodimantu “plāksnīšu” veidošanos ar iznākumu ∼200 mg jeb 80% no sākotnējās nanodimantu masas. (skatīt attēlu zemāk)
(sal. Turcheniuk et al., 2016)

Izžāvēts ar ultraskaņu disperģētu nanodimantu paraugs.
(Pētījums un attēls: ©Turcheniuk et al., 2016)

Augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes ierīces nanodimantu dispersijām

Hielscher Ultrasonics izstrādā, ražo un izplata augstas veiktspējas ultraskaņas malšanas un disperģēšanas iekārtas intensīvai lietošanai, piemēram, nanodimantu suspensiju, pulēšanas materiālu un nanokompozītu ražošanai. Hielscher ultraskaņas ierīces visā pasaulē izmanto nanomateriālu disperģēšanai ūdens koloidālajās suspensijās, polimēros, sveķos, pārklājumos un citos augstas veiktspējas materiālos.
Hielscher ultraskaņas disperģētāji ir uzticami un efektīvi, apstrādājot materiālus ar zemu līdz augstu viskozitāti. Atkarībā no izejmateriāliem un vēlamā daļiņu galīgā izmēra ultraskaņas intensitāti var precīzi pielāgot optimālu procesa rezultātu sasniegšanai.
Lai apstrādātu viskozas pastas, nanomateriālus un materiālus ar augstu cietvielu koncentrāciju, ultraskaņas disperģētājam jāspēj nepārtraukti nodrošināt augstas amplitūdas. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori nepārtrauktā darbībā ar pilnu slodzi spēj nodrošināt ļoti augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200µm var viegli nodrošināt 24/7 darbības režīmā. Iespēja darbināt ultraskaņas disperģētāju ar augstām amplitūdām un precīzi pielāgot amplitūdu ir nepieciešama, lai ultraskaņas procesa apstākļus pielāgotu optimāla sastāva iegūšanai nanosuspensijās ar augstu pildvielu saturu, ar nanomateriāliem stiegrotos polimēru maisījumos un nanokompozītos.
Papildus ultraskaņas amplitūdai vēl viens ļoti svarīgs procesa parametrs ir spiediens. Paaugstinātā spiedienā palielinās ultraskaņas kavitācijas intensitāte un tās bīdes spēki. Hielscher ultraskaņas reaktoros var paaugstināt spiedienu, tādējādi pastiprinot apstrādes ar ultraskaņu rezultātus.
Procesa uzraudzība un datu reģistrēšana ir svarīga nepārtrauktai procesa standartizācijai un produkta kvalitātei. Pieslēdzamus spiediena un temperatūras sensorus ar vadiem savieno ar ultraskaņas ģeneratoru, lai uzraudzītu un vadītu ultraskaņas disperģēšanas procesu. Visi svarīgie apstrādes parametri, piemēram, ultraskaņas enerģija (neto + kopējā), temperatūra, spiediens un laiks, tiek automātiski reģistrēti un saglabāti iebūvētā SD kartē. Piekļūstot automātiski reģistrētajiem procesa datiem, varat pārskatīt iepriekšējos apstrādes ar ultraskaņu ciklus un novērtēt procesa rezultātus.
Vēl viena lietotājam ērta funkcija ir mūsu digitālo ultraskaņas sistēmu attālināta vadība pārlūkprogrammā. Izmantojot attālinātu vadību pārlūkprogrammā, varat no jebkuras vietas attālināti iedarbināt, apturēt, regulēt un uzraudzīt savu ultraskaņas procesoru.
Sazinieties ar mums jau tagad, lai uzzinātu vairāk par mūsu augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatoriem malšanai un nanodispersiju iegūšanai!
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu: