Nanodiamenty zdyspergowane w zawiesinie wodnej za pomocą sonikacji

Dyspersje nanodiamentów są wydajne i szybko wytwarzane przy użyciu dyspergatorów ultradźwiękowych. Ultradźwiękowa deagregacja i dyspersja nanodiamentów może być niezawodnie przeprowadzona w wodnej zawiesinie. Technika dyspersji ultradźwiękowej wykorzystuje sól do modyfikacji pH, a tym samym jest łatwą, niedrogą i wolną od zanieczyszczeń techniką, którą można łatwo stosować na skalę przemysłową.

Nanodiamenty mogą być skutecznie i niezawodnie dyspergowane za pomocą ultrasonografów Hielscher.

Jak działa frezowanie ultradźwiękowe i dyspersja nanodiamentów?

Dyspersja ultradźwiękowa wykorzystuje nanodiamenty jako medium mielące. Kawitacja akustyczna generowana przez fale ultradźwiękowe o dużej mocy tworzy strumienie cieczy o dużej prędkości. Te strumienie cieczy przyspieszają cząstki (np. diamenty) w zawiesinie, tak że cząstki zderzają się z prędkością do 280 km / s i rozpadają się na drobne cząstki wielkości nano. Dzięki temu frezowanie ultradźwiękowe i dyspersja są łatwą, niedrogą i wolną od zanieczyszczeń techniką, która niezawodnie deaglomeruje nanodiamenty w nanocząstki stabilne w wodnym roztworze koloidalnym w szerokim zakresie pH. Sól (chlorek sodu) jest wykorzystywana do stabilizacji nanodiamentów w zawiesinie wodnej.

Ultradźwiękowe frezowanie nanodiamentów przewyższa młyny perełkowe

Ultradźwięki typu sondowego są bardzo skutecznymi młynami i są uznaną techniką mielenia do produkcji na dużą skalę zawiesin nanodiamentów na skalę przemysłową. Ponieważ młyny ultradźwiękowe wykorzystują nanodiamenty jako media mielące, całkowicie unika się zanieczyszczenia przez media mielące, np. z kulek cyrkonowych. Zamiast tego, ultradźwiękowe siły kawitacyjne przyspieszają cząstki tak, że nanodiamenty gwałtownie zderzają się ze sobą i rozpadają do jednolitego nano-rozmiaru. Ta indukowana ultradźwiękami kolizja międzycząsteczkowa jest wysoce wydajną i niezawodną metodą wytwarzania równomiernie rozłożonych nanodyspersji.
Metoda dyspersji ultradźwiękowej i deagregacji wykorzystuje rozpuszczalne w wodzie, nietoksyczne i niezanieczyszczające dodatki, takie jak chlorek sodu lub sacharoza do regulacji pH i stabilizacji dyspersji ultradźwiękowej. Te krystaliczne struktury chlorku sodu lub sacharozy działają dodatkowo jako media mielące, wspomagając w ten sposób procedurę mielenia ultradźwiękowego. Po zakończeniu procesu frezowania dodatki te można łatwo usunąć przez proste spłukanie wodą, co jest niezwykłą zaletą w porównaniu z procesowymi kulkami ceramicznymi. Tradycyjne mielenie kulek, takie jak attritory, wykorzystuje nierozpuszczalne ceramiczne środki mielące (np. kulki, kulki lub perły), których ścierane pozostałości zanieczyszczają końcową dyspersję. Usuwanie zanieczyszczeń spowodowanych przez media mielące wymaga złożonej obróbki końcowej i jest czasochłonne, a także kosztowne.

Technologia dyspergowania ultradźwiękowego skutecznie wytwarza wodne zawiesiny nanodiamentów o wąskim rozkładzie wielkości cząstek.
(Badanie i grafika: ©Turcheniuk et al., 2016)

Przykładowy protokół ultradźwiękowej dyspersji nanodiamentów

Wspomagana solą ultradźwiękowa dezagregacja nanodiamentów w wodzie:
Mieszaninę 10 g chlorku sodu i 0,250 g proszku nanodiamentowego krótko zmielono ręcznie za pomocą porcelanowego moździerza i tłuczka i umieszczono w szklanej fiolce o pojemności 20 ml wraz z 5 ml wody DI. Przygotowaną próbkę poddano działaniu ultradźwięków za pomocą sondy ultradźwiękowej przez 100 minut przy 60% mocy wyjściowej i 50% cyklu pracy. Po sonikacji próbka została równo podzielona między dwie plastikowe probówki wirówkowe Falcon o pojemności 50 ml i zdyspergowana w wodzie destylowanej do całkowitej objętości 100 ml (2 × 50 ml). Każda próbka została następnie odwirowana przy użyciu wirówki Eppendorf 5810-R przy 4000 obr/min i temperaturze 25°C przez 10 minut, a klarowny supernatant został odrzucony. Mokre osady ND zostały następnie ponownie zdyspergowane w wodzie destylowanej (całkowita objętość 100 ml) i odwirowane po raz drugi przy 12000 obr./min i 25°C przez 1 h. Po raz kolejny klarowny supernatant został odrzucony, a mokre osady nanodiamentów zostały ponownie zdyspergowane, tym razem w 5 ml wody destylowanej w celu scharakteryzowania. Standardowy test AgNO3 wykazał całkowity brak Cl^- w ultradźwiękowo deagregowanych nanodiamentach wspomaganych solą, przemytych dwukrotnie wodą destylowaną, jak opisano powyżej. Po odparowaniu wody z próbek zaobserwowano tworzenie się czarnych stałych nanodiamentowych "wiórów" z wydajnością ∼200 mg lub 80% początkowej masy nanodiamentu. (patrz zdjęcie poniżej)
(por. Turcheniuk i in., 2016)

Wysuszona próbka ultradźwiękowo zdyspergowanych nanodiamentów.
(Badanie i grafika: ©Turcheniuk et al., 2016)

Wysokowydajne ultradźwięki do dyspersji nanodiamentów

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne ultradźwiękowe urządzenia do frezowania i dyspergowania do ciężkich zastosowań, takich jak produkcja zawiesin nanodiamentów, środków polerskich i nanokompozytów. Ultradźwięki Hielscher są używane na całym świecie do rozpraszania nanomateriałów w wodnych zawiesinach koloidalnych, polimerach, żywicach, powłokach i innych materiałach o wysokiej wydajności.
Dyspergatory ultradźwiękowe Hielscher są niezawodne i wydajne w przetwarzaniu materiałów o niskiej i wysokiej lepkości. W zależności od materiałów wejściowych i docelowej końcowej wielkości cząstek, intensywność ultradźwięków można precyzyjnie dostosować w celu uzyskania optymalnych wyników procesu.
W celu przetwarzania lepkich past, nanomateriałów i wysokich stężeń ciał stałych, dyspergator ultradźwiękowy musi być w stanie wytwarzać stale wysokie amplitudy. Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy w trybie ciągłym pod pełnym obciążeniem. Amplitudy do 200 µm można łatwo uruchomić w trybie 24/7. Opcja obsługi dyspergatora ultradźwiękowego przy wysokich amplitudach i precyzyjnej regulacji amplitudy jest niezbędna do dostosowania warunków procesu ultradźwiękowego w celu optymalnego sformułowania wysoce wypełnionych nano-zawiesin, nano-wzmocnionych mieszanin polimerów i nanokompozytów.
Oprócz amplitudy ultradźwięków, ciśnienie jest kolejnym bardzo ważnym parametrem procesu. Przy podwyższonym ciśnieniu intensywność kawitacji ultradźwiękowej i jej sił ścinających jest intensyfikowana. Reaktory ultradźwiękowe Hielschera mogą być pod ciśnieniem, uzyskując w ten sposób zintensyfikowane wyniki sonikacji.
Monitorowanie procesu i rejestracja danych są ważne dla ciągłej standaryzacji procesu i jakości produktu. Wtykowe czujniki ciśnienia i temperatury są podłączone do generatora ultradźwiękowego w celu monitorowania i kontrolowania procesu dyspersji ultradźwiękowej. Wszystkie ważne parametry przetwarzania, takie jak energia ultradźwiękowa (netto + całkowita), temperatura, ciśnienie i czas są automatycznie protokołowane i zapisywane na wbudowanej karcie SD. Uzyskując dostęp do automatycznie rejestrowanych danych procesowych, można zrewidować poprzednie przebiegi sonikacji i ocenić wyniki procesu.
Kolejną przyjazną dla użytkownika funkcją jest zdalne sterowanie przez przeglądarkę naszymi cyfrowymi systemami ultradźwiękowymi. Za pomocą zdalnego sterowania przez przeglądarkę można uruchamiać, zatrzymywać, regulować i monitorować procesor ultradźwiękowy zdalnie z dowolnego miejsca.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby dowiedzieć się więcej o naszych wysokowydajnych homogenizatorach ultradźwiękowych do mielenia i nano-dyspersji!
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: