Betrouwbare dispersie van nanodeeltjes voor industriële toepassingen

Ultrasone behandeling met hoog vermogen kan deeltjesagglomeraten efficiënt en betrouwbaar opbreken en zelfs primaire deeltjes desintegreren. Vanwege hun hoge dispersieprestaties worden ultrasone apparaten met een sonde gebruikt als voorkeursmethode om homogene suspensies van nanodeeltjes te maken.

Betrouwbare dispersie van nanodeeltjes door ultrasone behandeling

Veel industrieën vereisen de bereiding van suspensies die met nanodeeltjes zijn beladen. Nanodeeltjes zijn vaste stoffen met een deeltjesgrootte van minder dan 100nm. Door hun uiterst kleine deeltjesgrootte vertonen nanodeeltjes unieke eigenschappen, zoals uitzonderlijke sterkte, hardheid, optische eigenschappen, ductiliteit, UV-bestendigheid, geleidbaarheid, elektrische en elektromagnetische (EM) eigenschappen, corrosiebestendigheid, krasbestendigheid en andere buitengewone kenmerken.
Ultrageluid met hoge intensiteit en lage frequentie veroorzaakt intense akoestische cavitatie, die wordt gekenmerkt door extreme omstandigheden zoals afschuifkrachten, zeer grote druk- en temperatuurverschillen en turbulentie. Deze cavitatiekrachten versnellen deeltjes, waardoor botsingen tussen deeltjes ontstaan en de deeltjes vervolgens uiteenvallen. Daardoor worden nanogestructureerde materialen met een smalle deeltjesgroottecurve en een uniforme verdeling verkregen.
Ultrasone dispersieapparatuur 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 veelvuldig gebruikt voor het dispergeren van koolstofnanobuizen (CNTs). Sonicatie is een betrouwbare methode om zowel enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNTs) als meerwandige koolstofnanobuizen (MWCNTs) te ontwarren en te dispergeren. Om bijvoorbeeld een sterk geleidend thermoplastisch polymeer te produceren, werd zeer zuiver (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; buitendiameter 9,5 nm; zuiverheid 95 +%) gedurende 30min. bij kamertemperatuur ultrasoon gedispergeerd met de Hielscher UP200S. De ultrasoon gedispergeerde Nanocyl® 3100 MWCNTs vertoonden bij een concentratie van 1% w/w in de epoxyhars een superieure geleidbaarheid van ongeveer 1,5 × 10-2 S /m.

Ultrasone dispersie van nikkelnanodeeltjes

Nikkelnanodeeltjes kunnen met succes worden geproduceerd via ultrasoon ondersteunde synthese door hydrazinereductie. De syntheseroute met hydrazinereductie maakt het mogelijk om zuivere metallische nikkelnanodeeltjes met een bolvorm te bereiden door de chemische reductie van nikkelchloride met hydrazine. De onderzoeksgroep van Adám toonde aan dat ultrasone behandeling – met behulp van de Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – een gemiddelde primaire kristallietgrootte (7–8 nm) kon behouden, onafhankelijk van de toegepaste temperatuur, terwijl intense en kortere sonicatieperioden de solvodynamische diameters van de secundaire, geaggregeerde deeltjes konden verkleinen van 710 nm tot 190 nm zonder enige oppervlakteactieve stof. De hoogste zuurgraad en katalytische activiteit werden gemeten bij de nanodeeltjes die waren bereid 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 conventionele als op ultrasone wijze waren bereid. De ultrasoon bereide katalysatoren presteerden doorgaans beter, en de hoogste katalytische activiteit werd gemeten bij de nanodeeltjes die waren bereid onder continue sonicatie met laag vermogen (30 W).
De ultrasone behandeling had cruciale effecten op de aggregatieneiging van de nanodeeltjes: de defragmenterende invloed van de vernietigde cavitatieholtes met de krachtige massaoverdracht kon de aantrekkende elektrostatische overwinnen – van de vernietigde cavitatieholtes met de krachtige massaoverdracht kon de aantrekkende elektrostatische en van der Waals-krachten tussen de deeltjes overwinnen.
(vgl. Adám et al. 2020)

Ultrasone synthese van wollastonietnanodeeltjes

Wollastoniet is een calciuminosilicaatmineraal met de chemische formule CaSiO3. Wollastoniet wordt veelvuldig gebruikt als bestanddeel voor de productie van cement, glas, bakstenen en tegels in de bouw, als vloeimiddel bij het gieten van staal en als additief bij de vervaardiging van coatings en verven. 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 studies aan dat ultrasone dispersie een zeer belangrijke factor is die de grootte en morfologie van wollastonietnanodeeltjes aanzienlijk beïnvloedt. Om de bijdrage van sonicatie aan de nanodispersie van wollastoniet te beoordelen, synthetiseerde het onderzoeksteam wollastonietnanodeeltjes met en zonder toepassing van ultrageluid met hoog vermogen. 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 nanodispersie worden weergegeven in de onderstaande SEM-afbeelding met hoge resolutie. De SEM-afbeelding laat duidelijk zien dat het wollastonietmonster vóór de ultrasone behandeling geagglomereerd en geaggregeerd is; na de sonicatie met het ultrasone apparaat UP200H is de gemiddelde grootte van de wollastonietdeeltjes ongeveer 10nm. De studie toont aan dat ultrasone dispersie een betrouwbare en efficiënte techniek is om wollastonietnanodeeltjes 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 wollastonietnanodeeltjes (A) vóór en (B) na ultrasone behandeling met de ultrasone processor UP200H gedurende 45,0 min.
Studie en afbeelding: ©Dordane and Doroodmand, 2021.

Ultrasone dispersie van nanovulstoffen

Sonicatie is een veelzijdige methode om nanovulstoffen te dispergeren en te deagglomereren in vloeistoffen en slurries, bijvoorbeeld polymeren, epoxyharsen, verharders, thermoplasten enz. Daarom wordt sonicatie veelvuldig 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 lage en hoge concentraties nanovulstoffen in een polymeermatrix kon dispergeren.
Bij vergelijking van verschillende formuleringen vertoonde de formulering met 0,5 wt% geoxideerde CNT de beste resultaten van alle gesoniceerde monsters: de grootteverdelingen van de meeste agglomeraten lagen in een vergelijkbaar bereik als die van monsters geproduceerd met een driewalsmolen, er was een goede binding met de verharder en er ontstond een percolatienetwerk binnen de dispersie, wat duidt op stabiliteit tegen sedimentatie en daarmee op een goede langetermijnstabiliteit. Hogere hoeveelheden vulstof vertoonden vergelijkbaar goede resultaten, maar ook de vorming van meer uitgesproken interne netwerken en enigszins grotere agglomeraten. Zelfs koolstofnanovezels (CNF) konden met succes via sonicatie worden gedispergeerd. Directe ultrasone dispersie van nanovulstoffen in de verhardersystemen zonder aanvullende oplosmiddelen werd met succes bereikt en kan daarom worden beschouwd als een toepasbare methode voor eenvoudige en rechtstreekse dispersie met potentieel voor industrieel gebruik. (vgl. Zanghellini et al., 2021)
 

Vergelijking van verschillende nanovulstoffen gedispergeerd in verharder (ultrasone behandeling–US): (a) 0,5 wt% koolstofnanovezel (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% koolstofnanobuis (CNT); (d) 0,5 wt% gedeeltelijk gedispergeerde CNT.
(Studie en afbeelding: © Zanghellini et al., 2021)

Ultrasone dispersie van nanodeeltjes – Superioriteit wetenschappelijk bewezen

Onderzoek toont in talrijke geavanceerde studies aan dat ultrasone dispersie een van de superieure technieken is om nanodeeltjes te deagglomereren en te verdelen in vloeistoffen, zelfs bij hoge concentraties. Vikash (2020) onderzocht bijvoorbeeld de dispersie van grote hoeveelheden nanosilica in viskeuze vloeistoffen met het ultrasone dispergeerapparaat Hielscher UP400S. In zijn studie komt hij tot de conclusie dat “een stabiele en uniforme dispersie van nanodeeltjes kan worden bereikt met een ultrasoon apparaat bij een hoog gehalte aan vaste stoffen in viskeuze vloeistoffen.” [Vikash, 2020]

Ultrasone processors met hoge prestaties voor de dispersie van nanodeeltjes

Hielscher Ultrasonics is uw betrouwbare leverancier van betrouwbare ultrasone apparatuur met hoge prestaties, van laboratorium- en pilotsystemen tot volledig industriële systemen. De apparaten van Hielscher Ultrasonics beschikken over geavanceerde hardware, slimme software en een uitstekende gebruiksvriendelijkheid – ontworpen en vervaardigd in Duitsland. De robuuste ultrasone machines van Hielscher 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 ultrasone apparaten in batchmodus of continue inline-modus worden gebruikt. Diverse accessoires zoals sonotrodes (ultrasone sondes), boosterhoorns, doorstroomcellen en reactoren zijn direct beschikbaar.
Neem nu contact met ons op voor meer technische informatie, wetenschappelijke studies, protocollen en een offerte voor onze ultrasone nanodispersiesystemen! Onze goed opgeleide medewerkers met jarenlange ervaring bespreken uw nanotoepassing graag met u!

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