Ultrasoonbehandeling met hoog vermogen kan op efficiënte en betrouwbare wijze deeltjesagglomeraten opbreken en zelfs primaire deeltjes desintegreren. Vanwege de hoge dispersieprestaties worden sonde-type ultrasoonapparaten gebruikt als voorkeursmethode om homogene nanodeeltjes-suspensies te creëren.

Betrouwbare nanodeeltjesdispersie door ultrasoonbehandeling

Vele industrieën vereisen de bereiding van suspensies, die geladen zijn met nanodeeltjes. Nanodeeltjes zijn vaste stoffen met een deeltjesgrootte kleiner dan 100 nm. Door de minieme deeltjesgrootte hebben nanodeeltjes unieke eigenschappen, zoals uitzonderlijke sterkte, hardheid, optische kenmerken, vervormbaarheid, UV-bestendigheid, geleidingsvermogen, elektrische en elektromagnetische (EM) eigenschappen, anticorrosiviteit, krasbestendigheid en andere buitengewone kenmerken.
Ultrasoon geluid met hoge intensiteit en lage frequentie veroorzaakt intense akoestische cavitatie, die gekenmerkt wordt door extreme omstandigheden zoals afschuifkrachten, zeer hoge druk- en temperatuurverschillen en turbulenties. Deze cavitatiekrachten versnellen deeltjes, waardoor botsingen tussen de deeltjes ontstaan en de deeltjes verbrijzelen. Bijgevolg 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 lage tot zeer hoge viscositeiten.

Ultrasone dispersie van koolstofnanobuizen

Ultrasone dispergeerapparaten worden veel gebruikt voor het dispergeren van koolstofnanobuizen (CNT's). Sonificatie is een betrouwbare methode om zowel enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT's) als meerwandige koolstofnanobuizen (MWCNT's) te ontwarren en te dispergeren. Om bijvoorbeeld een sterk geleidend thermoplastisch polymeer te produceren, zijn zeer zuivere (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNT's; externe diameter 9,5 nm; zuiverheid 95 +%) gedurende 30min. bij kamertemperatuur ultrasoon gedispergeerd met de Hielscher UP200S. De ultrasoon gedispergeerde Nanocyl® 3100 MWCNTs in een concentratie van 1% w/w in de epoxyhars vertoonden een superieur geleidingsvermogen van ca. 1,5 × 10-2 S /m.

Ultrasone dispersie van nikkel nanodeeltjes

Nikkel nanodeeltjes kunnen met succes worden geproduceerd via ultrasoon-geassiteerde hydrazine reductie synthese. De hydrazine reductie synthese route maakt het mogelijk om zuivere metallische nikkel nanodeeltjes met sferische vorm 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 reduceren van 710 nm tot 190 nm in afwezigheid van enig surfactant. De hoogste zuurgraad en katalytische activiteit werden gemeten voor de nanodeeltjes bereid met milde (30 W uitgangsvermogen) en continue ultrasone behandeling. Het katalytische gedrag van de nanodeeltjes werd getest in een Suzuki-Miyaura-kruiskoppelingsreactie op vijf monsters die zowel op de conventionele als op de ultrasone manier waren geprepareerd. De ultrasoon bereide katalysatoren presteerden meestal beter, en de hoogste katalytische activiteit werd gemeten bij de nanodeeltjes die onder continue sonicatie met laag vermogen (30 W) waren bereid.
De ultrasone behandeling had cruciale effecten op de aggregatietendens van de nanodeeltjes: de defragmenterende invloed van de vernietigde cavitatieholten met de krachtige massaoverdracht kon de aantrekkelijke elektrostatische van de vernietigde cavitatieholten met de krachtige massaoverdracht kon de aantrekkelijke elektrostatische en van der Waals krachten tussen de deeltjes overwinnen.
(cf. Adám et al. 2020)

Ultrasone synthese van wollastoniet nanodeeltjes

Wollastoniet is een calciuminosilicaatmineraal met de chemische formule CaSiO3 Wollastoniet wordt veel gebruikt als bestanddeel voor de productie van cement, glas, baksteen en tegels in de bouwindustrie, als vloeimiddel bij het gieten van staal en als additief bij de vervaardiging van coatings en verven. Zo zorgt wollastoniet voor wapening, verharding, lage olie-absorptie en andere verbeteringen. Om uitstekende versterkende eigenschappen van wollastoniet te verkrijgen, zijn deagglomeratie op nanoschaal en uniforme dispersie van essentieel belang.
Dordane en Doroodmand (2021) toonden in hun studies aan dat ultrasone dispersie een zeer belangrijke factor is die de grootte en morfologie van wollastoniet nanodeeltjes aanzienlijk infliueert. Om de bijdrage van sonicatie op de wollastoniet nano-dispersie te evalueren, synthetiseerde het onderzoeksteam wollastoniet nanodeeltjes met en zonder de toepassing van hoog-vermogen 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 toont duidelijk aan dat het wollastonietmonster vóór de ultrasone behandeling geagglomereerd en geaggregeerd is; na de sonicatie met de UP200H ultrasoneator is de gemiddelde grootte van de wollastonietdeeltjes ca. 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 gecontroleerd door de ultrasone verwerkingsparameters aan te passen.
(cf. Dordane en Doroodmand, 2021)

SEM-beelden van de wollastoniet nanodeeltjes (A) voor en (B) na ultrasonatie met de Ultrasone Processor UP200H gedurende 45,0 min.
Studie en foto: ©Dordane en Doroodmand, 2021.

Ultrasone nanovulstof dispersie

Sonificatie is een veelzijdige methode om nanovulstoffen te dispergeren en te deagglomereren in vloeistoffen en slurries, bv. 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 nanovullers in epoxyhars. Hij kon aantonen dat sonicatie in staat was om kleine en hoge concentraties nanovullers in een polymeermatrix te dispergeren.
De 0.5 wt% geoxideerde CNT toonde de beste resultaten van alle gesoniceerde monsters, met een grootteverdeling van de meeste agglomeraten die vergelijkbaar is met drie walsen 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 hoeveelheden vulstof lieten vergelijkbare goede resultaten zien, maar ook de vorming van meer uitgesproken interne netwerken en iets grotere agglomeraten. Zelfs koolstofnanovezels (CNF) konden met succes worden gedispergeerd via sonicatie. Directe US-dispersie van nanovulstoffen in de verhardersystemen zonder extra oplosmiddelen werd met succes bereikt, en kan dus worden beschouwd als een toepasbare methode voor een eenvoudige en ongecompliceerde dispersie met het potentieel voor industrieel gebruik. (cf. Zanghellini et al., 2021)

Vergelijking van verschillende nanovullers gedispergeerd in verharder met behulp van sonde-type ultrasoonbehandeling): (a) 0,5 wt% koolstof nanovezel (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxid; (c) 0,5 wt% koolstof nanotube (CNT); (d) 0,5 wt% CNT half 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 distribueren, 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 apparaat bij hoge vaste lading in viskeuze vloeistoffen." [Vikash, 2020]

Zeer performante ultrasone processoren voor nanodeeltjesdispersie

Hielscher Ultrasonics is uw betrouwbare leverancier voor betrouwbare ultrasoonapparatuur met hoge prestaties, van laboratorium- en pilot- tot full-industriële systemen. Hielscher Ultrasoon’ apparaten zijn voorzien van geavanceerde hardware, slimme software en uitstekende gebruiksvriendelijkheid – ontworpen en vervaardigd in Duitsland. Hielscher's robuuste ultrasoonmachines voor dispersie, deagglomeratie, synthese van nanodeeltjes en functionalisering kunnen 24/7/365 onder volledige belasting worden gebruikt. Afhankelijk van uw proces en uw productiefaciliteit kunnen onze ultrasoonmachines in batch- of continue inline-modus worden gebruikt. Diverse accessoires zoals sonotrodes (ultrasone sondes), booster hoorns, 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! Ons goed opgeleid, lang ervaren personeel zal graag uw nano-toepassing met u bespreken!

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: