Uzticama nanodaļiņu disperģēšana rūpnieciskiem lietojumiem

Apstrāde ar lieljaudas ultraskaņu var efektīvi un uzticami sašķelt daļiņu aglomerātus un pat saārdīt primārās daļiņas. Pateicoties augstajai disperģēšanas efektivitātei, zondes tipa ultraskaņas ierīces izmanto kā vēlamo metodi homogēnu nanodaļiņu suspensiju iegūšanai.

Uzticama nanodaļiņu disperģēšana ar ultraskaņu

Daudzās nozarēs nepieciešams sagatavot suspensijas ar nanodaļiņu pildījumu. Nanodaļiņas ir cietas daļiņas, kuru izmērs ir mazāks par 100nm. Ļoti mazā izmēra dēļ nanodaļiņām piemīt unikālas īpašības, piemēram, izcila stiprība, cietība, optiskās īpašības, plastiskums, izturība pret UV starojumu, vadītspēja, elektriskās un elektromagnētiskās (EM) īpašības, izturība pret koroziju, izturība pret skrāpējumiem un citas neparastas īpašības.
Augstas intensitātes zemfrekvences ultraskaņa rada intensīvu akustisko kavitāciju, kurai raksturīgi ekstremāli apstākļi, piemēram, bīdes spēki, ļoti lielas spiediena un temperatūras starpības un turbulence. Šie kavitācijas spēki paātrina daļiņas, izraisot to savstarpējas sadursmes un līdz ar to daļiņu sašķelšanos. Rezultātā iegūst nanostrukturētus materiālus ar šauru daļiņu izmēru sadalījuma līkni un vienmērīgu sadalījumu.
Ultraskaņas disperģēšanas iekārtas ir piemērotas jebkura veida nanomateriālu apstrādei ūdenī un organiskajos šķīdinātājos ar viskozitāti no zemas līdz ļoti augstai.

Oglekļa nanocaurulīšu disperģēšana ar ultraskaņu

Ultraskaņas disperģētājus plaši izmanto oglekļa nanocaurulīšu (CNTs) disperģēšanai. Apstrāde ar ultraskaņu ir uzticama metode gan viensieniņas oglekļa nanocaurulīšu (SWCNTs), gan daudzsieniņu oglekļa nanocaurulīšu (MWCNTs) atšķetināšanai un disperģēšanai. Piemēram, lai iegūtu termoplastisku polimēru ar augstu vadītspēju, augstas tīrības pakāpes (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; ārējais diametrs 9,5 nm; tīrība 95 +%) tika disperģētas ar ultraskaņu, izmantojot Hielscher UP200S, 30min. istabas temperatūrā. Ar ultraskaņu disperģētās Nanocyl® 3100 MWCNTs epoksīdsveķos 1% w/w koncentrācijā uzrādīja izcilu vadītspēju – aptuveni 1,5 × 10-2 S /m.

Niķeļa nanodaļiņu disperģēšana ar ultraskaņu

Niķeļa nanodaļiņas var veiksmīgi iegūt ar ultraskaņas veicinātu reducēšanas sintēzi, izmantojot hidrazīnu. Sintēzes metode, kurā izmanto reducēšanu ar hidrazīnu, ļauj sagatavot tīras metāliska niķeļa nanodaļiņas ar sfērisku formu, ķīmiski reducējot niķeļa hlorīdu ar hidrazīnu. Adám pētnieku grupa pierādīja, ka apstrāde ar ultraskaņu – izmantojot Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – spēja saglabāt vidējo primāro kristalītu izmēru (7–8 nm) neatkarīgi no izmantotās temperatūras, savukārt intensīvi un īsāki apstrādes ar ultraskaņu periodi varēja samazināt sekundāro, agregēto daļiņu solvodinamiskos diametrus no 710 nm līdz 190 nm bez jebkādām virsmaktīvajām vielām. Visaugstākais skābums un katalītiskā aktivitāte tika izmērīti nanodaļiņām, kas sagatavotas ar saudzīgu (30 W izejas jauda) un nepārtrauktu apstrādi ar ultraskaņu. Nanodaļiņu katalītiskās īpašības tika pārbaudītas Suzuki-Miyaura šķērssavienošanas reakcijā, izmantojot piecus paraugus, kas sagatavoti gan ar tradicionālajām metodēm, gan ar ultraskaņu. Ar ultraskaņu sagatavotie katalizatori parasti uzrādīja labākus rezultātus, un visaugstākā katalītiskā aktivitāte tika izmērīta nanodaļiņām, kas sagatavotas, veicot nepārtrauktu apstrādi ar mazjaudas (30 W) ultraskaņu.
Apstrāde ar ultraskaņu būtiski ietekmēja nanodaļiņu tendenci agregēties: sabrukušo kavitācijas dobumu radītā sadrumstalojošā iedarbība kopā ar intensīvo masas pārnesi varēja pārvarēt elektrostatisko pievilkšanos – sabrukušo kavitācijas dobumu radītā sadrumstalojošā iedarbība kopā ar intensīvo masas pārnesi varēja pārvarēt elektrostatiskos pievilkšanās spēkus un van der Vālsa spēkus starp daļiņām.
(sal. Adám et al. 2020)

Volastonīta nanodaļiņu sintēze ar ultraskaņu

Volastonīts ir kalcija inosilikātu minerāls ar ķīmisko formulu CaSiO3. Volastonītu plaši izmanto kā sastāvdaļu cementa, stikla, ķieģeļu un flīžu ražošanā būvniecības nozarē, kā kušņus tērauda liešanā, kā arī kā piedevu pārklājumu un krāsu ražošanā. Piemēram, volastonīts nodrošina pastiprināšanu, cietības palielināšanu, zemu eļļas absorbciju un citus uzlabojumus. Lai panāktu izcilas volastonīta pastiprinošās īpašības, būtiska ir deaglomerācija nanomērogā un vienmērīga disperģēšana.
Dordane un Doroodmand (2021) savos pētījumos pierādīja, ka disperģēšana ar ultraskaņu ir ļoti svarīgs faktors, kas būtiski ietekmē volastonīta nanodaļiņu izmēru un morfoloģiju. Lai novērtētu apstrādes ar ultraskaņu ieguldījumu volastonīta nanodisperģēšanā, pētnieku grupa sintezēja volastonīta nanodaļiņas gan ar lieljaudas ultraskaņu, gan bez tās. Apstrādes ar ultraskaņu izmēģinājumos pētnieki izmantoja ultraskaņas procesoru UP200H (Hielscher Ultrasonics) ar 24 kHz frekvenci 45,0 min. ilgi. Nanodisperģēšanas ar ultraskaņu rezultāti ir parādīti zemāk redzamajā augstas izšķirtspējas skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) attēlā. SEM attēls skaidri parāda, ka pirms apstrādes ar ultraskaņu volastonīta paraugs ir aglomerējies un agregējies; pēc apstrādes ar ultraskaņas ierīci UP200H volastonīta daļiņu vidējais izmērs ir aptuveni 10nm. Pētījums pierāda, ka disperģēšana ar ultraskaņu ir uzticama un efektīva metode volastonīta nanodaļiņu sintezēšanai. Vidējo nanodaļiņu izmēru var kontrolēt, pielāgojot ultraskaņas apstrādes parametrus.
(sal. Dordane un Doroodmand, 2021)

Volastonīta nanodaļiņu SEM attēli (A) pirms un (B) pēc apstrādes ar ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas procesoru UP200H 45,0 min. ilgi.
Pētījums un attēls: ©Dordane un Doroodmand, 2021.

Nanopildvielu disperģēšana ar ultraskaņu

Apstrāde ar ultraskaņu ir daudzpusīga metode nanopildvielu disperģēšanai un deaglomerēšanai šķidrumos un suspensijās, piemēram, polimēros, epoksīdsveķos, cietinātājos, termoplastos utt. Tāpēc apstrādi ar ultraskaņu plaši izmanto kā ļoti efektīvu disperģēšanas metodi pētniecībā un izstrādē, kā arī rūpnieciskajā ražošanā.
Zanghellini et al. (2021) pētīja nanopildvielu disperģēšanu epoksīdsveķos ar ultraskaņu. Pētījumā izdevās pierādīt, ka ar ultraskaņu polimēra matricā var disperģēt nanopildvielas gan zemā, gan augstā koncentrācijā.
Salīdzinot dažādus sastāvus, oksidētas CNT ar koncentrāciju 0,5 wt% uzrādīja labākos rezultātus no visiem ar ultraskaņu apstrādātajiem paraugiem: lielākās daļas aglomerātu izmēru sadalījums bija diapazonā, kas salīdzināms ar trīsvalču dzirnavās sagatavotajiem paraugiem, bija novērojama laba saistīšanās ar cietinātāju un perkolācijas tīkla veidošanās dispersijā, kas liecina par noturību pret sedimentāciju un līdz ar to par pienācīgu ilgtermiņa stabilitāti. Lielāks pildvielas daudzums uzrādīja līdzīgi labus rezultātus, taču veidojās arī izteiktāki iekšējie tīkli un nedaudz lielāki aglomerāti. Ar ultraskaņu izdevās veiksmīgi disperģēt pat oglekļa nanošķiedras (CNF). Tika veiksmīgi panākta nanopildvielu tieša disperģēšana ar ultraskaņu (US) cietinātāju sistēmās bez papildu šķīdinātājiem, tāpēc to var uzskatīt par piemērojamu metodi vienkāršai un tiešai disperģēšanai ar potenciālu izmantošanai rūpniecībā. (sk. Zanghellini et al., 2021)
 

Dažādu cietinātājā disperģētu nanopildvielu salīdzinājums (apstrāde ar ultraskaņu–US): (a) 0,5 wt% oglekļa nanošķiedru (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% oglekļa nanocaurulīšu (CNT); (d) 0,5 wt% daļēji disperģētu CNT.
(Pētījums un attēls: © Zanghellini et al., 2021)

Nanodaļiņu disperģēšana ar ultraskaņu – zinātniski pierādīts pārākums

Daudzi padziļināti zinātniskie pētījumi liecina, ka disperģēšana ar ultraskaņu ir viena no pārākajām metodēm nanodaļiņu deaglomerēšanai un izkliedēšanai šķidrumos pat augstā koncentrācijā. Piemēram, Vikash (2020) pētīja liela daudzuma silīcija dioksīda nanodaļiņu disperģēšanu viskozos šķidrumos, izmantojot Hielscher ultraskaņas disperģētāju UP400S. Savā pētījumā viņš secina, ka “stabilu un vienmērīgu nanodaļiņu dispersiju viskozos šķidrumos ar augstu cietvielu saturu var iegūt, izmantojot ultraskaņas ierīci.” [Vikash, 2020]

Augstas veiktspējas ultraskaņas procesori nanodaļiņu disperģēšanai

Hielscher Ultrasonics ir jūsu uzticamais piegādātājs drošām un augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtām – no laboratorijas un pilotiekārtām līdz pilna mēroga rūpnieciskām sistēmām. Hielscher Ultrasonics ierīces izceļas ar modernu aparatūru, viedu programmatūru un izcilu lietošanas ērtumu – tās ir izstrādātas un ražotas Vācijā. Hielscher izturīgās ultraskaņas iekārtas disperģēšanai, deaglomerēšanai, nanodaļiņu sintēzei un funkcionalizēšanai var darbināt ar pilnu slodzi 24/7/365. Atkarībā no jūsu procesa un ražotnes mūsu ultraskaņas iekārtas var darbināt periodiskā režīmā vai nepārtrauktas plūsmas režīmā tieši procesa līnijā. Ir viegli pieejami dažādi piederumi, piemēram, sonotrodes (ultraskaņas zondes), amplitūdas pastiprinātāji, plūsmas šūnas un reaktori.
Sazinieties ar mums jau tagad, lai saņemtu plašāku tehnisko informāciju, zinātniskos pētījumus, protokolus un cenu piedāvājumu mūsu nanodisperģēšanas sistēmām ar ultraskaņu! Mūsu labi apmācītie darbinieki ar ilggadēju pieredzi labprāt pārrunās ar jums ultraskaņas izmantošanu jūsu nanotehnoloģiju lietojumā!

Tālāk sniegtā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu: