Hielscher ultralydteknologi

Ultrasonisk syntese av nanodiamanter

  • På grunn av sin intense cavitational kraft, er kraft ultralyd en lovende teknikk for å produsere mikron- og nanostørrelsesdiamanter fra grafitt.
  • Mikro- og nanokrystallinske diamanter kan syntetiseres ved å sonikere en suspensjon av grafitt i organisk væske ved atmosfærisk trykk og romtemperatur.
  • Ultralyd er også et nyttig verktøy for etterbehandling av syntetiserte nanodiamanter, som ultralyddispergerer, deagglomerater og funksjonaliserer nanopartikler veldig effektivt.

Ultralyd for Nanodiamondkornene behandling

Nanodiamanter (også kalt detonasjonsdiamanter (DND) eller ultradisperserte diamanter (UDD)) er en spesiell form for karbonnanomaterialer preget av unike egenskaper - for eksempel dens gitter struktur, dens store flate, så vel som unikt optisk og magnetisk egenskaper - og eksepsjonelle applikasjoner. Egenskapene til ultradisperserte partikler gjør disse materialene til nyskapende forbindelser for å skape nye materialer med ekstraordinære funksjoner. Størrelsen på diamantpartiklene i soten er ca. 5nm.

Ultrasonisk syntese av nanodiamanter

Under intense krefter, som sonikering eller detonasjon, kan grafitt omdannes til diamant.

Ultrasonisk syntetiserte nanodiamanter

Syntesen av diamanter er et viktig forskningsfelt når det gjelder vitenskapelige og kommersielle interesser. Den vanlig brukte prosessen for syntese av mikrokrystallinske og nanokrystalliske diamantpartikler er høytrykks-høytemperatur (HPHT) -teknikken. Ved denne metoden blir det nødvendige prosesstrykket av titusenvis av atmosfærer og temperaturer på mer enn 2000K generert for å produsere hoveddelen av verdensomspennende tilførsel av industriell diamant. For transformasjon av grafitt inn i diamant er det generelt nødvendig med høye trykk og høye temperaturer, og katalysatorer brukes til å øke utbyttet av diamant.
Disse kravene som trengs for transformasjon kan genereres svært effektivt ved bruk av ultralyd med høy effekt (= lavfrekvent ultralyd med høy intensitet):

Ultralydkavitasjon

Ultralyd i væsker forårsaker lokalt svært ekstreme effekter. Når lydbølger lydes med høye intensiteter, resulterer lydbølgene som forplanter seg i væskemediene i alternerende høytrykks (kompresjons) og lavtrykkssykluser, med frekvenser avhengig av frekvensen. Under lavtrykkssyklusen oppretter høy-intensitets ultralydbølger små vakuumbobler eller hulrom i væsken. Når boblene oppnår et volum der de ikke lenger kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en høytrykkssyklus. Dette fenomenet kalles kavitasjon. Under implosjonen oppnås svært høye temperaturer (ca. 5.000K) og trykk (ca. 2.000atm) lokalt. Implosjonen av kavitasjonsboblen resulterer også i flytende stråler med opptil 280m / s hastighet. (Suslick 1998) Det er åpenbart at mikro- og nano-krystallinske diamanter kan syntetiseres innen ultralyd kavitasjon.

Informasjonsforespørsel




Merk våre Personvernregler.


Ultralydprosedyre for syntese av nanodiamanter

De facto, studien av Khachatryan et al. (2008) viser at diamantmikrokrystaller også kan syntetiseres ved ultralydbehandling av en suspensjon av grafitt i organisk væske ved atmosfærisk trykk og romtemperatur. Som kavitationsfluid har en formel av aromatiske oligomerer blitt valgt på grunn av dens lave mettede damptrykk og dens høye kokepunktstemperatur. I denne væsken er det spesielle rene grafittpulveret – med partikler i området mellom 100-200 μm - har blitt suspendert. I forsøkene av Kachatryan et al. Var vektforholdet mellom fast og væske 1: 6, kavitationsfluidets tetthet var 1,1 g cm-3 ved 25 ° C. Den maksimale ultralydintensiteten i sonoreaktoren har vært 75-80W cm-2 svarende til en lydtrykkamplitude på 15-16 bar.
Det har blitt oppnådd omtrent 10% grafitt til diamant konvertering. Diamantene var nesten mono-dispergert med en veldig skarp, godt utformet størrelse i størrelsesorden 6 eller 9μm ± 0,5μm, med kubikk, krystallinsk morfologi og høy renhet.

Ultralydsyntetiserte diamanter (SEM-bilder): Ultralyd med høy effekt gir den energien som kreves for å indusere nanodiamanter' synthsis

SEM-bilder av de ultralydsyntetiserte diamantene: Bildene (a) og (b) viser prøveeksemplarene 1, (c) og (d) prøveserien 2. [Khachatryan et al. 2008]

De kostnader av mikro- og nanodiamanter produsert av denne metoden anslås å være konkurranse med høytrykks-høy temperatur (HPHT) prosess. Dette gjør ultralyd et innovativt alternativ for syntesen av mikro- og nanodiamanter (Khachatryan et al. 2008), særlig ettersom produksjonsprosessen av nanodiamanter kan optimaliseres ved videre undersøkelser. Mange parametere slik amplitude, trykk, temperatur, kavitasjonsvæske og konsentrasjon må undersøkes nøyaktig for å oppdage det søte punktet for ultralyd nanodiamond-syntese.
Ved resultatene oppnådd ved syntetisering av nanodiamanter, videre ultralyd generert kavitasjon gir potensialet for syntese av andre viktige forbindelser, slik som kubisk bornitrid, karbonnitrid etc. (Khachatryan et al., 2008)
Videre ser det ut til å være mulig å lage diamant nanotråder og nanoroder fra multi-walled carbon nanorør (MWCNT) under ultralydbestråling. Diamond nanotråder er endimensjonale analoger av bulk diamant. På grunn av den høye elastiske modulen, styrke-til-vektforholdet og den relative lettheten som overflatene kan funksjonaliseres, har diamant blitt funnet å være det optimale materialet for nanomekaniske konstruksjoner. (Sun et al., 2004)

Ultrasonic Dispersing av Nanodiamonds

Som allerede beskrevet, er deagglomerering og jevn partikkelstørrelsesfordeling i mediet essensielle for en vellykket utnyttelse av nanodiamondens unike egenskaper.
spredning og deagglomerering ved ultralyd er et resultat av ultralyd kavitasjon. Når væsker eksponeres for ultralyd, vil lydbølgene som forplantes i væsken resultere i vekslende høytrykks- og lavtrykkssykluser. Dette gjelder mekanisk spenning på de tiltrekkende kreftene mellom de enkelte partikler. Ultralydkavitasjon i væsker forårsaker høyhastighets væskestråler på opptil 1000 km / t (ca. 600 mph). Slike stråler presser væske ved høyt trykk mellom partiklene og adskiller dem fra hverandre. Mindre partikler akselereres med væskestrålene og kolliderer med høye hastigheter. Dette gjør ultralyd til et effektivt middel for spredning, men også for fresing av mikronstørrelser og sub mikronstørrelsespartikler.
For eksempel kan nanodiamanter (gjennomsnittlig størrelse på ca. 4nm) og polystyren dispergeres i cykloheksan for å oppnå en spesiell kompositt. I deres studie, Chipara et al. (2010) har laget kompositter av polystyren og nanodiamanter, som inneholder nanodiamanter i området mellom 0 og 25 vekt%. For å få en jevn spredning, de sonicated løsningen i 60 min med Hielscher's UIP1000hd (1 kW).

Ultralydassistert funksjonalisering av nanodiamanter

For funksjonaliseringen av den komplette overflaten av hver nanostørrelse, må partikkelens overflate være tilgjengelig for kjemisk reaksjon. Dette betyr at en jevn og fin dispersjon kreves da de godt dispergerte partiklene er omgitt av et grenselag av molekyler tiltrukket av partikkeloverflaten. For å få nye funksjonsgrupper til nanodiamonds overflate, må dette grenselaget brytes eller fjernes. Denne prosessen for pause og fjerning av grenselaget kan utføres ved hjelp av ultralyd.
Ultralyd introdusert i væske genererer ulike ekstreme effekter som kavitasjon, lokalt svært høy temperatur opp til 2000K og flytende stråler på opptil 1000km / t. (Suslick 1998) Ved disse stressfaktorene kan de tiltrekkende kreftene (f.eks. Van-der-Waals-krefter) overvinnes og de funksjonelle molekylene blir båret til partikkelens overflate for å fungere, for eksempel nanodiamondens overflate.

Under powerful ultrasonic irradiation (e.g. with Hielscher's UIP2000hdT) it becomes possible to synthesis, deagglomerate and functionalize nanodiamonds efficiently.

Skjema 1: Grafisk av in situ-deagglomerering og overflatefunksjonalisering av nanodiamanter (Liang 2011)

Eksperimenter med Bead-Assisted Sonic Disintegration (BASD) -behandling har vist lovende resultater for overflatefunksjonalisering av nanodiamanter også. Dermed er perler (f.eks. Keramiske perler i mikrostørrelse som ZrO2 perler) blitt brukt til å håndheve ultralydet Kavitasjon tvinger på nanodiamondpartiklene. Deagglomerasjonen oppstår på grunn av interparticular kollisjon mellom nanodiamondpartiklene og ZrO2 perler.
På grunn av bedre tilgjengelighet av partiklens overflate, anbefales det for kjemiske reaksjoner som Boran reduksjon, arylering eller silanisering, en ultralyd eller BASD (perleassistert sonisk oppløsning) forbehandling for dispergeringsformål. Ved ultralyd spre og deagglomerering den kjemiske reaksjonen kan fortsette mye mer fullstendig.

Når høy-effekt, lavfrekvente ultralyd innføres i et flytende medium, genereres kavitasjon.

Ultralydkaviatasjon resulterer i ekstreme temperatur- og trykkforskjeller og høyhastighets væskestråler. Dermed er strøm ultralyd en vellykket prosesseringsmetode for miksing og fresing.

Kontakt oss / be om mer informasjon

Snakk med oss ​​om dine krav til behandling. Vi vil anbefale de mest egnede oppsett- og behandlingsparametrene for prosjektet ditt.





Vær oppmerksom på at Personvernregler.


Litteratur / Referanser

  • Chipara, AC et al .: Termiske egenskaper av nanodiamondpartikler dispergert i polystyren. HESTEC 2010.
  • El-Say, KM: Nanodiamonds som et legemiddelleveringssystem: Søknad og potensielle. I J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; s. 29-39.
  • Khachatryan, A. Kh. et al .: Grafitt til diamanttransformasjon indusert ved ultralydkavitasjon. I: diamant & Relaterte materialer 17, 2008; pp931-936.
  • Krueger, A .: Strukturen og reaktiviteten til nanoskala diamant. I: J Mater Chem 18, 2008; s. 1485-1492.
  • Liang, Y .: Deagglomerierung und Oberflächenfunionalisierung von Nanodiamant Mittels Thermochemischer und Mechanochemischer Methoden. Avhandling Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
  • Osawa, E .: Monodisperse enkelt nanodiamond-partikler. I: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
  • Pramatarova, L. et al .: Fordelen med polymerkompositter med detonasjons nanodiamondpartikler for medisinske applikasjoner. I: På Biomimetikk; s. 298-320.
  • Sun, L .; Gong, J .; Zhu, D .; Zhu, Z .; Han, S .: Diamond Nanorods fra Carbon Nanotubes. I: Avanserte materialer 16/2004. pp. 1849-1853.
  • Suslick, KS: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4. utg. J. Wiley & Sønner: new york; 26, 1998; pp. 517-541.

Nanodiamanter – Bruk og applikasjoner

Nanodiamondkornene er ustabile på grunn av deres zeta-potensial. Dermed har de en tendens til å danne aggregater. En vanlig anvendelse av nanodiamanter er bruken i slipemidler, skjære- og poleringsverktøy og varmekummer. En annen potensiell bruk er anvendelsen av nanodiamanter som stoffbærer for farmasøytiske aktive komponenter (jf. Pramatarova). Av ultralyd, for det første kan nanodiamanter syntetiseres fra grafitt, og for det andre kan nanodiamondene tungt til agglomerering være jevnt fordelt inn i flytende media (f.eks. for å formulere et poleringsmiddel).