Jak wytwarzać nanopłyny

Nanopłyn to płyn opracowany do określonych zastosowań, składający się z płynu bazowego zawierającego nanocząstki. Synteza nanopłynów wymaga skutecznej i niezawodnej techniki homogenizacji i deaglomeracji, zapewniającej wysoki stopień równomierności dyspersji. Dyspergatory ultradźwiękowe stanowią najlepszą technologię wytwarzania nanopłynów o doskonałych właściwościach. Dyspergowanie ultradźwiękowe wyróżnia się wydajnością, szybkością, prostotą, niezawodnością i łatwością obsługi.

Czym są nanopłyny?

Nanopłyn to płyn zawierający cząstki o rozmiarach nanometrycznych (≺100nm), powszechnie nazywane nanocząstkami. Nanocząstki stosowane w nanopłynach są zazwyczaj wykonane z metali, tlenków, węglików lub nanorurek węglowych. Nanocząstki te są dyspergowane w płynie bazowym (np. wodzie, oleju itp.) w celu uzyskania zawiesiny koloidalnej opracowanej do określonych zastosowań, czyli nanopłynu. Nanopłyny wykazują ulepszone właściwości termofizyczne, takie jak przewodność cieplna, dyfuzyjność cieplna, lepkość i współczynniki konwekcyjnego przenoszenia ciepła, w porównaniu z właściwościami materiałowymi płynu bazowego.
Powszechnym zastosowaniem nanopłynów jest ich wykorzystanie jako płynów chłodzących lub czynników chłodniczych. Dodanie nanocząstek do konwencjonalnych płynów chłodzących (takich jak woda, olej, glikol etylenowy, polialfaolefina itp.) poprawia ich właściwości cieplne.

• płyny chłodzące / przenoszące ciepło
• środki smarne
• zastosowania biomedyczne

Wytwarzanie nanopłynów za pomocą homogenizatora ultradźwiękowego

Na mikrostrukturę nanopłynów można wpływać i można ją modyfikować poprzez zastosowanie najbardziej odpowiedniej technologii homogenizacji i parametrów procesu. Dyspergowanie ultradźwiękowe okazało się wysoce wydajną i niezawodną techniką przygotowywania nanopłynów. Dyspergatory ultradźwiękowe są wykorzystywane w badaniach i przemyśle do syntezy, rozdrabniania, dyspergowania i homogenizacji nanocząstek z uzyskaniem wysokiej jednorodności i wąskiego rozkładu wielkości cząstek. Parametry procesu syntezy nanopłynów obejmują doprowadzaną energię ultradźwiękową, amplitudę ultradźwięków, temperaturę, ciśnienie i kwasowość. Ponadto istotnymi czynnikami są rodzaje i stężenia reagentów oraz dodatków, a także kolejność dodawania dodatków do roztworu.
Powszechnie wiadomo, że właściwości nanopłynów silnie zależą od struktury i kształtu nanomateriałów. Dlatego uzyskanie mikrostruktur nanopłynów, które można kontrolować, jest głównym czynnikiem wpływającym na ich funkcjonalność i jakość. Stosowanie zoptymalizowanych parametrów sonikacji, takich jak amplituda, ciśnienie, temperatura i doprowadzana energia (Ws/mL), jest kluczem do wytworzenia stabilnego, jednorodnego nanopłynu wysokiej jakości. Sonikację można z powodzeniem stosować do deaglomeracji i dyspergowania cząstek w postaci pojedynczych rozproszonych nanocząstek. Wraz ze zmniejszaniem się wielkości cząstek nasilają się ruchy Browna (prędkość ruchów Browna) oraz oddziaływania między cząstkami, co prowadzi do uzyskania bardziej stabilnych nanopłynów. Sonikatory Hielscher umożliwiają precyzyjną kontrolę wszystkich istotnych parametrów procesu, mogą pracować nieprzerwanie przy wysokich amplitudach (24/7/365) i są wyposażone w funkcję automatycznego rejestrowania danych, ułatwiającą ocenę wszystkich przebiegów sonikacji.

Krzemionka o rozmiarach nanometrycznych zdyspergowana ultradźwiękowo

Poprawa stabilności nanopłynów dzięki sonikacji

W nanopłynach aglomeracja nanocząstek powoduje nie tylko ich osadzanie się i zatykanie mikrokanałów, lecz także spadek przewodności cieplnej nanopłynów. Deaglomeracja i dyspergowanie ultradźwiękowe są szeroko stosowane w materiałoznawstwie i przemyśle. Sonikacja jest sprawdzoną techniką przygotowywania stabilnych nanodyspersji o równomiernym rozkładzie nanocząstek i dużej stabilności. Dlatego dyspergatory ultradźwiękowe Hielscher są preferowaną technologią produkcji nanopłynów.

Nanopłyny wytwarzane ultradźwiękowo w badaniach naukowych

W badaniach analizowano wpływ sonikacji i parametrów ultradźwięków na właściwości nanopłynów. Dowiedz się więcej o wynikach badań naukowych dotyczących ultradźwiękowego przygotowywania nanopłynów.

Wpływ ultradźwięków na przygotowywanie nanopłynów Al2O3

Noroozi i wsp. (2014) stwierdzili, że przy „wyższym stężeniu cząstek wzrost dyfuzyjności cieplnej nanopłynów wynikający z sonikacji był większy. Ponadto większą stabilność i większy wzrost dyfuzyjności cieplnej uzyskano, poddając nanopłyny przed pomiarem sonikacji za pomocą sonikatora z sonotrodą o wyższej mocy”. Wzrost dyfuzyjności cieplnej był większy w przypadku nanocząstek o mniejszych rozmiarach. Wynika to z faktu, że mniejsze cząstki mają większy stosunek efektywnej powierzchni do objętości. Mniejsze cząstki sprzyjały zatem tworzeniu stabilnego nanopłynu, a sonikacja za pomocą sonotrody ultradźwiękowej wywarła istotny wpływ na dyfuzyjność cieplną. (Noroozi i wsp. 2014)

Instrukcja ultradźwiękowej produkcji nanopłynów Al2O3–woda krok po kroku

Najpierw zważ nanocząstki Al2O3 za pomocą cyfrowej wagi elektronicznej. Następnie stopniowo dodawaj nanocząstki Al2O3 do odważonej wody destylowanej i mieszaj mieszaninę Al2O3–woda. Poddawaj mieszaninę ciągłej sonikacji przez 1h za pomocą urządzenia ultradźwiękowego z sonotrodą UP400S (400W, 24kHz, patrz zdjęcie po lewej), aby uzyskać równomierną dyspersję nanocząstek w wodzie destylowanej. Nanopłyny można przygotowywać przy różnych udziałach nanocząstek (0,1%, 0,5% i 1%). Nie są potrzebne środki powierzchniowo czynne ani zmiany pH. (Isfahani i wsp., 2013)

Wodne nanopłyny ZnO o właściwościach regulowanych ultradźwiękowo

Elcioglu i wsp. (2021) stwierdzają w swoim badaniu naukowym, że „Sonikacja jest niezbędnym procesem zapewniającym prawidłowe zdyspergowanie nanocząstek w płynie bazowym i stabilność, a także optymalne właściwości w rzeczywistych zastosowaniach”. Do wytwarzania nanopłynów ZnO / woda wykorzystali sonikator UP200Ht. Sonikacja miała wyraźny wpływ na napięcie powierzchniowe wodnego nanopłynu ZnO. Wyniki uzyskane przez badaczy prowadzą do wniosku, że napięcie powierzchniowe, tworzenie nanowarstw i inne powiązane cechy dowolnego nanopłynu można regulować i dostrajać w odpowiednich warunkach sonikacji.

Homogenizatory ultradźwiękowe do produkcji nanopłynów

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do wszelkich zastosowań wymagających homogenizacji i deaglomeracji. W produkcji nanopłynów kluczowe znaczenie mają precyzyjna kontrola sonikacji i niezawodna obróbka ultradźwiękowa zawiesiny nanocząstek.
Procesory Hielscher Ultrasonics zapewniają pełną kontrolę nad wszystkimi istotnymi parametrami procesu, takimi jak doprowadzana energia, natężenie ultradźwięków, amplituda, ciśnienie, temperatura i czas przebywania. Dzięki temu można dostosować parametry do optymalnych warunków, co następnie pozwala uzyskać nanopłyny wysokiej jakości.

• Do dowolnej objętości? wydajności: Hielscher oferuje sonikatory i szeroki wybór akcesoriów. Umożliwia to skonfigurowanie idealnego systemu ultradźwiękowego do Twojego zastosowania i wydajności produkcyjnej. Od małych fiolek zawierających mililitry płynu po strumienie o dużym natężeniu przepływu, wynoszącym tysiące galonów na godzinę, Hielscher oferuje odpowiednie rozwiązanie ultradźwiękowe dla Twojego procesu.
• Wytrzymałość: Nasze systemy ultradźwiękowe są wytrzymałe i niezawodne. Wszystkie sonikatory Hielscher są przystosowane do pracy 24/7/365 i wymagają bardzo niewielu czynności konserwacyjnych.
• Łatwość obsługi: Dopracowane oprogramowanie naszych urządzeń ultradźwiękowych umożliwia wcześniejszy wybór i zapisanie ustawień sonikacji, zapewniając prostą i niezawodną sonikację. Intuicyjne menu jest łatwo dostępne za pośrednictwem cyfrowego, kolorowego wyświetlacza dotykowego. Zdalne sterowanie przez przeglądarkę umożliwia obsługę i monitorowanie za pomocą dowolnej przeglądarki internetowej. Automatyczna rejestracja danych zapisuje parametry procesu każdego przebiegu sonikacji na wbudowanej karcie SD.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: