Betrouwbare nanodeeltjesdispersie voor industriële toepassingen

Ultrasoon geluid met een hoog vermogen kan deeltjesagglomeraten efficiënt en betrouwbaar opbreken en zelfs primaire deeltjes desintegreren. Vanwege de hoge dispersieprestaties worden ultrasone sondes gebruikt als voorkeursmethode om homogene nanopartikelsuspensies te maken.

Betrouwbare dispersie van nanodeeltjes door ultrasoonbehandeling

Veel industrieën vereisen de bereiding van suspensies, die geladen zijn met nanodeeltjes. Nanodeeltjes zijn vaste stoffen met een deeltjesgrootte kleiner dan 100 nm. Door de minuscule deeltjesgrootte hebben nanodeeltjes unieke eigenschappen zoals uitzonderlijke sterkte, hardheid, optische eigenschappen, vervormbaarheid, UV-bestendigheid, geleidbaarheid, elektrische en elektromagnetische (EM) eigenschappen, anticorrosiviteit, krasbestendigheid en andere buitengewone eigenschappen.
Ultrasoon geluid met een hoge intensiteit en lage frequentie creëert intense akoestische cavitatie, die wordt gekenmerkt door extreme omstandigheden zoals schuifkrachten, zeer hoge druk- en temperatuurverschillen en turbulenties. Deze cavitatiekrachten versnellen deeltjes waardoor botsingen tussen de deeltjes ontstaan en de deeltjes versplinteren. Hierdoor worden nanogestructureerde materialen met een smalle deeltjesgroottecurve en een uniforme verdeling verkregen.
Ultrasone dispergeerapparatuur is geschikt voor de behandeling van alle soorten nanomaterialen in water en organische oplosmiddelen, met een lage tot zeer hoge viscositeit.

Ultrasone dispersie van koolstofnanobuizen

Ultrasonic dispersers are widely used for the purpose of dispersing carbon nanotubes (CNTs). Sonication is a reliable method to detangle and disperse single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as well as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). For instance, in order to produce a highly conductive thermoplastic polymer, high-purity (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; external diameter 9.5 nm; purity 95 +%) have been ultrasonically dispersed with the Hielscher UP200S for 30min. at room temperature. The ultrasonically dispersed Nanocyl® 3100 MWCNTs at a concentration of 1% w/w in the epoxy resin showed superior conductivity of approx. 1.5 × 10-2 S /m.

Ultrasone dispersie van nikkel nanodeeltjes

Nikkel nanodeeltjes kunnen met succes worden geproduceerd via ultrasoon gestuurde hydrazine reductie synthese. De hydrazine reductie syntheseroute maakt het mogelijk om zuivere metallische nikkel nanodeeltjes met een bolvorm te bereiden door de chemische reductie van nikkelchloride met hydrazine. De onderzoeksgroep van Adám toonde aan dat ultrasone – met behulp van de Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – was in staat om een gemiddelde primaire kristallietgrootte (7-8 nm) te handhaven, onafhankelijk van de toegepaste temperatuur, terwijl het gebruik van intense en kortere sonicatieperioden de solvodynamische diameters van de secundaire, geaggregeerde deeltjes kon verkleinen van 710 nm tot 190 nm in afwezigheid van enige oppervlakteactieve stof. De hoogste zuurgraad en katalytische activiteit werden gemeten voor de nanodeeltjes die bereid werden door milde (30 W uitgangsvermogen) en continue ultrasone behandeling. Het katalytische gedrag van de nanodeeltjes werd getest in een Suzuki-Miyaura kruiskoppelingsreactie met vijf monsters die zowel op de conventionele als op de ultrasone manier waren bereid. De ultrasoon bereide katalysatoren presteerden meestal beter en de hoogste katalytische activiteit werd gemeten bij de nanodeeltjes die waren bereid onder continue sonicatie met een laag vermogen (30 W).
De ultrasone behandeling had cruciale effecten op de neiging tot aggregatie van de nanodeeltjes: de defragmentatie-invloed van de vernietigde cavitatieholtes met de krachtige massaoverdracht kon de aantrekkelijke elektrostatische van de vernietigde cavitatieholtes met de krachtige massaoverdracht kon de aantrekkelijke elektrostatische en van der Waals krachten tussen de deeltjes overwinnen.
(vgl. Adám et al. 2020)

Ultrasone synthese van Wollastoniet nanodeeltjes

Wollastoniet is een calcium inosilicaat mineraal met de chemische formule CaSiO3 Wollastoniet wordt veel gebruikt als component voor de productie van cement, glas, baksteen en tegels in de bouw, als vloeimiddel bij het gieten van staal en als additief bij de productie van coatings en verf. Wollastoniet zorgt bijvoorbeeld voor versterking, verharding, lage olieabsorptie en andere verbeteringen. Om uitstekende versterkende eigenschappen van wollastoniet te verkrijgen, zijn deagglomeratie op nanoschaal en uniforme dispersie essentieel.
Dordane en Doroodmand (2021) toonden in hun onderzoek aan dat ultrasone dispersie een zeer belangrijke factor is die de grootte en morfologie van wollastoniet nanodeeltjes significant beïnvloedt. Om de bijdrage van sonicatie op wollastoniet nano-dispersie te evalueren, synthetiseerde het onderzoeksteam wollastoniet nanodeeltjes met en zonder de toepassing van hoogvermogen ultrasoon. Voor hun sonicatieproeven gebruikten de onderzoekers de ultrasone processor UP200H (Hielscher Ultrasonics) met een frequentie van 24 kHz gedurende 45,0 min. De resultaten van de ultrasone nano-dispersie worden getoond in de hoge-resolutie SEM hieronder. Het SEM-beeld laat duidelijk zien dat het wollastonietmonster vóór de ultrasone behandeling geagglomereerd en geaggregeerd is; na de sonicatie met de UP200H ultrasoon is de gemiddelde grootte van de wollastonietdeeltjes ongeveer 10 nm. De studie toont aan dat ultrasone dispersie een betrouwbare en efficiënte techniek is om wollastoniet nanodeeltjes te synthetiseren. De gemiddelde grootte van de nanodeeltjes kan worden geregeld door de ultrasone verwerkingsparameters aan te passen.
(vgl. Dordane en Doroodmand, 2021)

SEM-afbeeldingen van de wollastoniet nanodeeltjes (A) voor en (B) na ultrasoneren met de ultrasone processor UP200H gedurende 45,0 min.
Studie en foto: ©Dordane en Doroodmand, 2021.

Ultrasone nanovulstofdispersie

Sonificatie is een veelzijdige methode om nanofillers te dispergeren en te deagglomereren in vloeistoffen en slurries, bijv. polymeren, epoxyharsen, verharders, thermoplasten enz. Daarom wordt sonificatie op grote schaal gebruikt als een zeer efficiënte dispersiemethode in R&D en industriële productie.
Zanghellini et al. (2021) onderzochten de ultrasone dispersietechniek voor nanovulstoffen in epoxyhars. Hij kon aantonen dat sonicatie in staat was om kleine en hoge concentraties nanovulstoffen in een polymeermatrix te dispergeren.
Bij een vergelijking van de verschillende formuleringen, toonde de 0,5 wt% geoxideerde CNT de beste resultaten van alle gesoneerde monsters, met grootteverdelingen van de meeste agglomeraten in een vergelijkbaar bereik als bij driewals geproduceerde monsters, een goede binding aan de verharder, de vorming van een percolatienetwerk binnenin de dispersie, wat wijst op stabiliteit tegen sedimentatie en dus een goede stabiliteit op lange termijn. Hogere vulstofhoeveelheden lieten vergelijkbare goede resultaten zien, maar ook de vorming van meer uitgesproken interne netwerken en iets grotere agglomeraten. Zelfs koolstofnanovezels (CNF) konden met succes gedispergeerd worden via sonicatie. Directe US-dispersie van nanoversterkers in de verhardersystemen zonder extra oplosmiddelen werd met succes bereikt en kan dus worden gezien als een toepasbare methode voor een eenvoudige en ongecompliceerde dispersie met het potentieel voor industrieel gebruik. (cf. Zanghellini et al., 2021)
 

Vergelijking van verschillende nanovulstoffen gedispergeerd in verharder (ultrasoon-US): (a) 0,5 wt% koolstofnanovezel (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% koolstofnanobuis (CNT); (d) 0,5 wt% CNT semi-gedispergeerd.
(Studie en foto: © Zanghellini et al., 2021)

Ultrasone dispersie van nanodeeltjes – Wetenschappelijk bewezen superioriteit

Onderzoek toont in talrijke geavanceerde studies aan dat ultrasone dispersie een van de superieure technieken is om nanodeeltjes te deagglomereren en te verspreiden, zelfs bij hoge concentraties in vloeistoffen. Vikash (2020) onderzocht bijvoorbeeld de dispersie van hoge ladingen nano-silica in viskeuze vloeistoffen met behulp van de Hielscher ultrasone dispergeermachine UP400S. In zijn studie komt hij tot de conclusie dat "de stabiele en uniforme dispersie van nanodeeltjes kan worden bereikt met behulp van een ultrasoon dispergeerapparaat bij hoge vaste ladingen in viskeuze vloeistoffen." [Vikash, 2020]

Ultrasone processoren met hoge prestaties voor nanodeeltjesdispersie

Hielscher Ultrasonics is uw betrouwbare leverancier voor betrouwbare ultrasoonapparatuur met hoge prestaties, van laboratorium- en pilotapparatuur tot volledig industriële systemen. Hielscher Ultrasoon’ apparaten beschikken over geavanceerde hardware, slimme software en uitstekende gebruiksvriendelijkheid – ontworpen en geproduceerd in Duitsland. Hielscher's robuuste ultrasoonmachines voor dispersie, deagglomeratie, synthese en functionalisatie van nanodeeltjes kunnen 24/7/365 onder volledige belasting werken. Afhankelijk van uw proces en uw productiefaciliteit kunnen onze ultrasoonmachines in batch of continu inline worden gebruikt. Diverse accessoires zoals sonotrodes (ultrasone sondes), boosterhoorns, flowcellen en reactoren zijn direct beschikbaar.
Neem nu contact met ons op voor meer technische informatie, wetenschappelijke studies, protocollen en een offerte voor onze ultrasone nano-dispersiesystemen! Onze goed opgeleide en ervaren medewerkers bespreken graag uw nano-toepassing met u!

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: