Ultradźwiękowe dyspergowanie nanomateriałów (nanocząstek)
Nanomateriały stały się integralnym składnikiem tak różnorodnych produktów jak materiały o wysokich parametrach użytkowych, preparaty przeciwsłoneczne, powłoki o wysokich parametrach użytkowych czy kompozyty tworzyw sztucznych. Kawitację ultradźwiękową wykorzystuje się do dyspergowania cząstek o rozmiarach nanometrycznych w cieczach, takich jak woda, olej, rozpuszczalniki lub żywice.
Ultradźwiękowe dyspergowanie nanocząstek
Zastosowanie ultradźwiękowego dyspergowania nanocząstek przynosi różnorodne efekty. Najbardziej oczywistym jest dyspergowanie materiałów w cieczach w celu rozbijania aglomeratów cząstek. Innym procesem jest stosowanie ultradźwięków podczas syntezy lub strącania cząstek. Zasadniczo prowadzi to do uzyskania mniejszych cząstek i większej jednorodności ich rozmiarów. Kawitacja ultradźwiękowa poprawia również transport materii na powierzchniach cząstek. Efekt ten można wykorzystać do poprawy funkcjonalizacji powierzchni materiałów o dużej powierzchni właściwej.
Dyspergowanie i zmniejszanie rozmiarów nanomateriałów
Nanomateriały, np. tlenki metali, nanoglinki lub nanorurki węglowe mają tendencję do tworzenia aglomeratów podczas mieszania z cieczą. Skuteczne metody deaglomeracji i dyspergowania są niezbędne do przezwyciężenia sił wiążących po zwilżeniu proszku. Ultradźwiękowe rozbijanie struktur aglomeratów w zawiesinach wodnych i niewodnych pozwala wykorzystać pełny potencjał materiałów o rozmiarach nanometrycznych. Badania różnych dyspersji aglomeratów nanocząstek o zmiennej zawartości fazy stałej wykazały znaczną przewagę ultradźwięków nad innymi technologiami, takimi jak mieszadła rotor–stator (np. ultra turrax), homogenizatory tłokowe lub metody mielenia na mokro, np. młyny kulkowe lub młyny koloidalne. Systemy ultradźwiękowe Hielscher mogą pracować przy stosunkowo wysokich stężeniach fazy stałej. Na przykład w przypadku krzemionki stwierdzono, że szybkość rozbijania jest niezależna od stężenia fazy stałej do 50% masowo. Ultradźwięki można stosować do dyspergowania wysoko stężonych koncentratów typu masterbatch – przetwarzając ciecze o niskiej i wysokiej lepkości. Dzięki temu ultradźwięki stanowią dobre rozwiązanie do przetwarzania farb i powłok opartych na różnych ośrodkach, takich jak woda, żywica lub olej.
Homogenizator ultradźwiękowy UP400St do nanodyspersji
Kawitacja ultradźwiękowa
Dyspergowanie i deaglomeracja poprzez sonikację są wynikiem kawitacji ultradźwiękowej. Podczas oddziaływania ultradźwięków na ciecze fale dźwiękowe rozchodzące się w cieczy wywołują naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia. Powoduje to naprężenia mechaniczne przeciwdziałające siłom przyciągania między poszczególnymi cząstkami. Kawitacja ultradźwiękowa w cieczach powoduje powstawanie strug cieczy o dużej prędkości, dochodzącej do 1000km/hr (około 600mph). Strugi te wtłaczają ciecz pod wysokim ciśnieniem między cząstki i oddzielają je od siebie. Mniejsze cząstki są przyspieszane przez strugi cieczy i zderzają się z dużymi prędkościami. Dzięki temu ultradźwięki są skutecznym środkiem zarówno do dyspergowania, jak i do mielenia cząstek o rozmiarach mikrometrowych i submikrometrowych.
Synteza / strącanie cząstek wspomagane ultradźwiękami
Nanocząstki można wytwarzać metodą oddolną poprzez syntezę lub strącanie. Sonochemia jest jedną z najwcześniejszych technik stosowanych do otrzymywania związków o rozmiarach nanometrycznych. Suslick w swojej oryginalnej pracy poddawał sonikacji Fe(CO)5 albo w postaci czystej cieczy, albo w roztworze w deaclin, uzyskując amorficzne nanocząstki żelaza o rozmiarach 10–20nm. Zasadniczo w przesyconej mieszaninie zaczynają powstawać cząstki stałe z materiału o wysokim stężeniu. Sonikacja poprawia mieszanie prekursorów i zwiększa transport masy na powierzchni cząstek. Prowadzi to do uzyskania mniejszych cząstek i większej jednorodności.
UIP2000hdT, wydajny sonikator o mocy 2kW do dyspergowania SWCNTs.
Funkcjonalizacja powierzchni za pomocą ultradźwięków
Wiele nanomateriałów, takich jak tlenki metali, pigmenty do atramentów do druku atramentowego i tonerów lub wypełniacze do powłok o wysokich parametrach użytkowych, wymaga funkcjonalizacji powierzchni. Aby sfunkcjonalizować całą powierzchnię każdej pojedynczej cząstki, potrzebna jest dobra metoda dyspergowania. Po zdyspergowaniu cząstki są zazwyczaj otoczone warstwą graniczną cząsteczek przyciąganych do ich powierzchni. Aby nowe grupy funkcyjne mogły dotrzeć do powierzchni cząstki, warstwa ta musi zostać rozbita lub usunięta. Strugi cieczy powstające w wyniku kawitacji ultradźwiękowej mogą osiągać prędkości do 1000km/hr. Naprężenia te pomagają przezwyciężyć siły przyciągania i przenoszą cząsteczki funkcyjne na powierzchnię cząstki. W sonochemii efekt ten wykorzystuje się do poprawy działania zdyspergowanych katalizatorów.
Sonikacja przed pomiarem wielkości cząstek
Sonikacja próbek poprawia dokładność pomiaru wielkości lub morfologii cząstek. Nowy SonoStep łączy ultradźwięki, mieszanie i pompowanie próbek w kompaktowej konstrukcji. Jest łatwy w obsłudze i może służyć do dostarczania próbek poddanych sonikacji do urządzeń analitycznych, takich jak analizatory wielkości cząstek. Intensywna sonikacja pomaga dyspergować zaglomerowane cząstki, prowadząc do uzyskania bardziej spójnych wyników.Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej!
Przetwarzanie ultradźwiękowe w skali laboratoryjnej i produkcyjnej
Procesory ultradźwiękowe i komory przepływowe do deaglomeracji i dyspergowania są dostępne do zastosowań w skali laboratoryjnej i produkcyjnej . Systemy przemysłowe można łatwo dostosować do pracy w linii procesowej. Do badań i opracowywania procesów zalecamy stosowanie UIP1000hd (1 000 watów).
Hielscher oferuje szeroką gamę urządzeń ultradźwiękowych i akcesoriów do wydajnego dyspergowania nanomateriałów, np. w farbach, atramentach i powłokach.
- Kompaktowe urządzenia laboratoryjne o mocy do 400 watów.
Urządzenia te są wykorzystywane głównie do przygotowywania próbek lub wstępnych badań wykonalności i są dostępne do wynajęcia. - 500 i 1 000 i 2 000 watów to moce procesorów ultradźwiękowych, takich jak zestaw UIP1000hd z komorą przepływową oraz różnymi wzmacniaczami amplitudy i sonotrodami , które mogą przetwarzać strumienie o większym natężeniu przepływu.
Urządzenia tego typu służą do optymalizacji parametrów (takich jak amplituda, ciśnienie robocze, natężenie przepływu itp.) w skali stanowiska laboratoryjnego lub instalacji pilotażowej. - Procesory ultradźwiękowe o mocy 2kW, 4kW, 10kW i 16kW oraz większe zespoły składające się z kilku takich jednostek mogą przetwarzać strumienie produkcyjne w niemal dowolnej skali.
Urządzenia do pracy na stanowisku laboratoryjnym można wynająć na korzystnych warunkach w celu przeprowadzenia prób procesowych. Wyniki takich prób można liniowo skalować do poziomu produkcyjnego – zmniejszając ryzyko i koszty związane z opracowywaniem procesu. Chętnie pomożemy online, telefonicznie lub osobiście. Znajdź nasze adresy tutaj lub skorzystaj z poniższego formularza.
Poniższa tabela przedstawia orientacyjne możliwości przetwarzania naszych sonikatorów:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Nanomateriały – informacje ogólne
Nanomateriały to materiały o rozmiarach poniżej 100nm. Coraz szybciej znajdują zastosowanie w formulacjach farb, atramentów i powłok. Nanomateriały dzielą się na trzy szerokie kategorie: tlenki metali, nanoglinki i nanorurki węglowe. Nanocząstki tlenków metali obejmują tlenek cynku, tlenek tytanu, tlenek żelaza, tlenek ceru i tlenek cyrkonu w skali nanometrycznej, a także związki mieszanych metali, takie jak tlenek indowo-cynowy oraz cyrkon i tytan, a także związki mieszanych metali, takie jak tlenek indowo-cynowy. Materia o tak małych rozmiarach ma wpływ na wiele dziedzin, takich jak fizyka, chemia i biologia. W farbach i powłokach nanomateriały spełniają wymagania dekoracyjne (np. barwa i połysk), pełnią funkcje użytkowe (np. przewodnictwo, inaktywacja drobnoustrojów) i poprawiają właściwości ochronne farb i powłok (np. odporność na zarysowania, stabilność wobec promieniowania UV). W szczególności tlenki metali o rozmiarach nanometrycznych, takie jak TiO2 i ZnO lub tlenek glinu, tlenek ceru i krzemionka oraz pigmenty o rozmiarach nanometrycznych znajdują zastosowanie w nowych formulacjach farb i powłok.
Zmniejszanie rozmiarów materii zmienia jej właściwości, takie jak barwa i oddziaływanie z inną materią, w tym reaktywność chemiczna. Zmiana tych właściwości wynika ze zmiany właściwości elektronowych. W wyniku zmniejszania rozmiarów cząstek zwiększa się powierzchnia materiału. Dzięki temu większy odsetek atomów może oddziaływać z inną materią, np. z matrycą żywic.
Aktywność powierzchniowa jest kluczową cechą nanomateriałów. Aglomeracja i agregacja uniemożliwiają kontakt powierzchni z inną materią. Tylko dobrze zdyspergowane lub indywidualnie zdyspergowane cząstki pozwalają wykorzystać pełny korzystny potencjał materii. W rezultacie dobre dyspergowanie zmniejsza ilość nanomateriałów potrzebną do uzyskania tych samych efektów. Ponieważ większość nanomateriałów jest nadal stosunkowo droga, aspekt ten ma duże znaczenie dla komercjalizacji formulacji produktów zawierających nanomateriały. Obecnie wiele nanomateriałów wytwarza się w procesie suchym. W związku z tym cząstki trzeba wymieszać z ciekłymi formulacjami. To właśnie na tym etapie większość nanocząstek tworzy aglomeraty podczas zwilżania. Szczególnie nanorurki węglowe wykazują bardzo silną kohezję, co utrudnia ich dyspergowanie w cieczach, takich jak woda, etanol, olej, polimer lub żywica epoksydowa. Konwencjonalne urządzenia procesowe, np. mieszadła o wysokim ścinaniu lub mieszadła rotor–stator, homogenizatory wysokociśnieniowe czy młyny koloidalne i tarczowe, nie zapewniają wystarczającego rozdzielenia nanocząstek na odrębne cząstki. Zwłaszcza w przypadku drobnej materii o rozmiarach od kilku nanometrów do kilku mikrometrów kawitacja ultradźwiękowa bardzo skutecznie rozbija aglomeraty, agregaty, a nawet cząstki pierwotne. Gdy ultradźwięki są wykorzystywane do mielenia partii o wysokim stężeniu, strugi cieczy powstające w wyniku kawitacji ultradźwiękowej powodują zderzanie się cząstek z prędkościami do 1000km/h. Powoduje to zerwanie oddziaływań van der Waalsa w aglomeratach, a nawet w cząstkach pierwotnych.
Hielscher Ultrasonics produkuje homogenizatory ultradźwiękowe o wysokiej wydajności do mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji w skali laboratoryjnej, pilotażowej i przemysłowej.