Ultrasone dispersie van nanomaterialen (nanodeeltjes)

Nanomaterialen zijn een integraal onderdeel geworden van uiteenlopende producten zoals materialen met hoge prestaties, zonnebrandmiddelen, coatings met hoge prestaties en kunststofcomposieten. Ultrasone cavitatie wordt gebruikt om deeltjes op nanoschaal te dispergeren in vloeistoffen zoals water, olie, oplosmiddelen of harsen.

Ultrasone dispersie van nanodeeltjes

De toepassing van ultrasone dispersie van nanodeeltjes heeft uiteenlopende effecten. Het meest voor de hand liggende effect is het dispergeren van materialen in vloeistoffen om deeltjesagglomeraten uiteen te breken. Een ander proces is de toepassing van ultrageluid tijdens deeltjessynthese of precipitatie. Dit leidt doorgaans tot kleinere deeltjes en een grotere uniformiteit van de deeltjesgrootte. Ultrasone cavitatie verbetert ook de stofoverdracht aan de deeltjesoppervlakken. Dit effect kan worden gebruikt om de oppervlaktefunctionalisering van materialen met een groot specifiek oppervlak te verbeteren.

Dispergeren en verkleinen van nanomaterialen

Nanomaterialen, bijvoorbeeld metaaloxiden, nanoklei of koolstofnanobuisjes , hebben de neiging te agglomereren wanneer ze in een vloeistof worden gemengd. Effectieve methoden voor deagglomeratie en dispersie zijn nodig om de bindingskrachten na het bevochtigen van het poeder te overwinnen. Het ultrasoon uiteenvallen van de agglomeraatstructuren in waterige en niet-waterige suspensies maakt het mogelijk het volledige potentieel van materialen op nanoschaal te benutten. Onderzoek naar verschillende dispersies van agglomeraten van nanodeeltjes met een variabel gehalte aan vaste stoffen heeft het aanzienlijke voordeel van ultrageluid aangetoond ten opzichte van andere technologieën, zoals rotor-statormengers (bijvoorbeeld ultra turrax), zuigerhomogenisatoren of natte maalmethoden, bijvoorbeeld parelmolens of colloïdmolens. Ultrasone systemen van Hielscher kunnen bij vrij hoge concentraties vaste stoffen worden gebruikt. Zo is voor silica vastgesteld dat de breuksnelheid onafhankelijk is van de concentratie vaste stoffen tot 50% op gewichtsbasis. Ultrageluid kan worden toegepast voor het dispergeren van sterk geconcentreerde masterbatches – waarbij vloeistoffen met een lage en hoge viscositeit worden verwerkt. Dit maakt ultrageluid tot een goede verwerkingsoplossing voor verven en coatings op basis van verschillende media, zoals water, hars of olie.

Ultrasone cavitatie

Dispersie en deagglomeratie door sonicatie zijn het gevolg van ultrasone cavitatie. Wanneer vloeistoffen aan ultrageluid worden blootgesteld, veroorzaken de geluidsgolven die zich in de vloeistof voortplanten afwisselende cycli van hoge en lage druk. Hierdoor worden de aantrekkingskrachten tussen de afzonderlijke deeltjes mechanisch belast. Ultrasone cavitatie in vloeistoffen veroorzaakt vloeistofstralen met hoge snelheden tot 1000km/hr (ongeveer 600mph). Deze stralen persen vloeistof onder hoge druk tussen de deeltjes en scheiden ze van elkaar. Kleinere deeltjes worden door de vloeistofstralen versneld en botsen met hoge snelheden. Dit maakt ultrageluid tot een effectief middel voor het dispergeren, maar ook voor het malen van deeltjes op micrometerschaal en kleiner dan een micrometer.

Ultrasoon ondersteunde deeltjessynthese / precipitatie

Nanodeeltjes kunnen via een bottom-upbenadering door synthese of precipitatie worden geproduceerd. Sonochemie is een van de vroegste technieken die werden gebruikt om verbindingen op nanoschaal te bereiden. In zijn oorspronkelijke werk onderwierp Suslick Fe(CO)₅ als zuivere vloeistof of in een deaclin-oplossing aan sonicatie en verkreeg hij amorfe ijzernanodeeltjes met een grootte van 10–20nm. Over het algemeen begint een oververzadigd mengsel vaste deeltjes te vormen uit een sterk geconcentreerd materiaal. Sonicatie verbetert het mengen van de precursoren en verhoogt de stofoverdracht aan het deeltjesoppervlak. Dit leidt tot een kleinere deeltjesgrootte en een grotere uniformiteit.

Oppervlaktefunctionalisering met ultrageluid

Veel nanomaterialen, zoals metaaloxiden, inkjetinkt en tonerpigmenten, of vulstoffen voor hoogwaardige coatings, vereisen oppervlaktefunctionalisering. Om het volledige oppervlak van elk afzonderlijk deeltje te functionaliseren, is een goede dispersiemethode nodig. In gedispergeerde toestand zijn deeltjes doorgaans omgeven door een grenslaag van moleculen die door het deeltjesoppervlak worden aangetrokken. Om nieuwe functionele groepen het deeltjesoppervlak te laten bereiken, moet deze grenslaag worden opgebroken of verwijderd. De vloeistofstralen die door ultrasone cavitatie ontstaan, kunnen snelheden tot 1000km/hr bereiken. Deze belasting helpt de aantrekkingskrachten te overwinnen en voert de functionele moleculen naar het deeltjesoppervlak. In de sonochemie wordt dit effect gebruikt om de prestaties van gedispergeerde katalysatoren te verbeteren.

Sonicatie vóór de meting van de deeltjesgrootte

Sonicatie van monsters verbetert de nauwkeurigheid van uw meting van de deeltjesgrootte of morfologie. De nieuwe SonoStep combineert ultrageluid, roeren en pompen van monsters in een compact ontwerp. Het apparaat is eenvoudig te bedienen en kan worden gebruikt om aan sonicatie onderworpen monsters naar analytische apparaten, zoals deeltjesgrootteanalysatoren, te voeren. De intense sonicatie helpt geagglomereerde deeltjes te dispergeren, wat tot consistentere resultaten leidt. Klik hier voor meer informatie!

Ultrasone verwerking op laboratorium- en productieschaal

Ultrasone processoren en doorstroomcellen voor deagglomeratie en dispersie zijn beschikbaar op laboratoriumschaal en productieschaal . De industriële systemen kunnen eenvoudig achteraf worden aangepast voor inline gebruik. Voor onderzoek en procesontwikkeling adviseren wij het gebruik van de UIP1000hd (1.000 watt).

Hielscher biedt een breed assortiment ultrasone apparaten en accessoires voor het efficiënt dispergeren van nanomaterialen, bijvoorbeeld in verven, inkten en coatings.

• Compacte laboratoriumapparaten met maximaal 400 watt vermogen.
  Deze apparaten worden voornamelijk gebruikt voor monstervoorbereiding of eerste haalbaarheidsstudies en zijn te huur.
• 500 en 1.000 en 2.000 watt: ultrasone processoren met deze vermogens, zoals de UIP1000hd set met doorstroomcel en verschillende boosterhoorns en sonotroden , kunnen grotere volumestromen verwerken.
  Dergelijke apparaten worden gebruikt voor het optimaliseren van de parameters (zoals amplitude, bedrijfsdruk, debiet enz.) op tafelopstellings- of pilotinstallatieschaal.
• Ultrasone processoren van 2kW, 4kW, 10kW en 16kW en grotere clusters van meerdere van dergelijke eenheden kunnen productievolumestromen op vrijwel elk niveau verwerken.

Tafelapparatuur is tegen gunstige voorwaarden te huur voor het uitvoeren van procesproeven. De resultaten van dergelijke proeven kunnen lineair worden opgeschaald naar productieniveau – waardoor de risico’s en kosten van procesontwikkeling worden verminderd. Wij helpen u graag online, telefonisch of persoonlijk. U vindt onze adressen hier, of u kunt het onderstaande formulier gebruiken.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: