Nanodiamenty zdyspergowane w zawiesinie wodnej za pomocą sonikacji

Dyspersje nanodiamentów są wydajnie i szybko wytwarzane przy użyciu dyspergatorów ultradźwiękowych. Ultradźwiękowa deagregacja i dyspersja nanodiamentów może być niezawodnie przeprowadzona w zawiesinie wodnej. Technika dyspersji ultradźwiękowej wykorzystuje sól do modyfikacji pH i jest dzięki temu łatwą, tanią i wolną od zanieczyszczeń techniką, która może być łatwo stosowana na skalę przemysłową.

Nanodiamenty można skutecznie i niezawodnie zdyspergować za pomocą ultradźwięków firmy Hielscher.

Jak działa ultradźwiękowe frezowanie i dyspersja nanodiamentów?

Dyspersja ultradźwiękowa wykorzystuje same nanodiamenty jako media 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 rozbijają na drobne nanocząstki. Dzięki temu ultradźwiękowe mielenie i dyspergowanie jest łatwą, niedrogą i wolną od zanieczyszczeń techniką, która niezawodnie deagglomeruje nanodiamenty do nano-wielkich cząstek stabilnych 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

Ultradźwiękowce typu sonda są wysoce wydajnymi młynami i stanowią uznaną technikę mielenia do produkcji zawiesin nanodiamentów na dużą skalę przemysłową. Ponieważ młyny ultradźwiękowe wykorzystują nanodiamenty jako media mielące, całkowicie unika się zanieczyszczenia przez media mielące, np. przez kulki cyrkonowe. Zamiast tego, ultradźwiękowe siły kawitacyjne przyspieszają cząstki tak, że nanodiamenty zderzają się gwałtownie ze sobą i rozbijają się do jednolitego rozmiaru nano. Ta indukowana ultradźwiękami kolizja międzycząsteczkowa jest wysoce wydajną i niezawodną metodą produkcji jednolicie rozmieszczonych nanodyspersji.
W ultradźwiękowej metodzie dyspersji i dezagregacji stosuje się rozpuszczalne w wodzie, nietoksyczne i niezanieczyszczające dodatki, takie jak chlorek sodu lub sacharoza, w celu regulacji pH i stabilizacji dyspersji ultradźwiękowej. Te krystaliczne struktury chlorku sodu lub sacharozy działają dodatkowo jako media mielące, wspierając w ten sposób procedurę mielenia ultradźwiękowego. Po zakończeniu procesu mielenia, dodatki te mogą być łatwo usunięte przez proste płukanie wodą, co jest niezwykłą zaletą w porównaniu z procesem ceramicznych kulek. Tradycyjne mielenie perełkowe, takie jak attritory, wykorzystuje nierozpuszczalne ceramiczne media mielące (np. kulki, perełki), których ścierane pozostałości zanieczyszczają końcową dyspersję. Usuwanie zanieczyszczeń spowodowanych przez media mielące wiąże się ze skomplikowaną obróbką końcową i jest czasochłonne, jak również kosztowne.

Ultradźwiękowa technologia dyspergowania skutecznie wytwarza wodne zawiesiny nanodiamentów o wąskim rozkładzie wielkości cząstek.
(Opracowanie i grafika: ©Turcheniuk i in., 2016)

Przykładowy protokół ultradźwiękowego dyspersjonowania nanodiamentów

Salt-Assisted Ultrasonic Deaggregation of Nanodiamonds in Water:
Mieszaninę 10 g chlorku sodu i 0,250 g proszku nanodiamentu 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 sonikowano przy użyciu ultradźwiękowca sondowego przez 100 min przy 60% mocy wyjściowej i 50% cyklu pracy. Po sonikacji, próbka została równo podzielona pomiędzy dwie plastikowe probówki wirówkowe Falcon o pojemności 50 mL i zdyspergowana w wodzie destylowanej do 100 mL całkowitej objętości (2 × 50 mL). Każda próbka była następnie odwirowywana przy użyciu wirówki Eppendorf 5810-R przy 4000 rpm i 25°C przez 10 minut, a czysty supernatant był odrzucany. Mokre osady ND były następnie ponownie rozpraszane w wodzie destylowanej (100 mL całkowitej objętości) i odwirowywane po raz drugi przy 12000 obr/min i 25°C przez 1 h. Ponownie czysty supernatant był odrzucany, a mokre osady nanodiamentów były ponownie rozpraszane, tym razem w 5 mL wody destylowanej w celu scharakteryzowania. Standardowa próba AgNO3 wykazała całkowity brak Cl^- w wspomaganych solą ultradźwiękową deagregowanych nanodiamentach przemytych dwukrotnie wodą destylowaną, jak opisano powyżej. Po odparowaniu wody z próbek obserwowano formowanie czarnych stałych "wiórków" nanodiamentowych z wydajnością ∼200 mg lub 80% początkowej masy nanodiamentu. (patrz zdjęcie poniżej)
(por. Turcheniuk i in., 2016)

Suszona próbka od ultradźwiękowo zdyspergowanych nanodiamentów.
(Opracowanie i grafika: ©Turcheniuk i in., 2016)

Wysokowydajne ultradźwiękowce do dyspersji nanodiamentów

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne ultradźwiękowe urządzenia do frezowania i dyspersji do zastosowań w ciężkich warunkach, takich jak produkcja zawiesin nanodiamentów, mediów polerskich i nanokompozytów. Ultradźwięki Hielscher są używane na całym świecie do dyspergowania nano-materiałów w wodnych zawiesinach koloidalnych, polimerach, żywicach, powłokach i innych materiałach o wysokiej wydajności.
Dyspergatory ultradźwiękowe firmy Hielscher są niezawodne i wydajne w przetwarzaniu materiałów o niskiej i wysokiej lepkości. W zależności od materiału wejściowego i docelowej wielkości cząstek, intensywność ultradźwięków może być precyzyjnie regulowana w celu uzyskania optymalnych wyników procesu.
Aby przetwarzać lepkie pasty, nano-materiały i wysokie stężenia ciał stałych, dyspergator ultradźwiękowy musi być zdolny do ciągłego wytwarzania wysokich amplitud. Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczyć bardzo wysokie amplitudy w pracy ciągłej pod pełnym obciążeniem. Amplitudy do 200µm mogą być łatwo uruchomione w trybie 24/7. Możliwość pracy dyspergatora ultradźwiękowego przy wysokich amplitudach i precyzyjnej regulacji amplitudy jest niezbędna do dostosowania warunków procesu ultradźwiękowego do optymalnego formułowania wysoko wypełnionych nanozawiesin, nanozbrojonych mieszanek polimerowych i nanokompozytów.
Oprócz amplitudy ultradźwięków, bardzo ważnym parametrem procesu jest ciśnienie. Przy podwyższonym ciśnieniu intensywność kawitacji ultradźwiękowej i jej sił ścinających ulega wzmocnieniu. Reaktory ultradźwiękowe firmy Hielscher mogą być poddawane działaniu ciśnienia, dzięki czemu uzyskuje się wzmocnione efekty sonikacji.
Monitorowanie procesu i rejestracja danych są ważne dla ciągłej standaryzacji procesu i jakości produktu. Podłączane do generatora ultradźwiękowego czujniki ciśnienia i temperatury służą do monitorowania i sterowania procesem dyspersji ultradźwiękowej. Wszystkie ważne parametry procesu, takie jak energia ultradźwiękowa (netto + całkowita), temperatura, ciśnienie i czas są automatycznie protokołowane i zapisywane na wbudowanej karcie SD. Dzięki dostępowi do automatycznie zapisanych danych procesowych można dokonać przeglądu poprzednich przebiegów sonikacji i ocenić wyniki procesu.
Kolejną przyjazną dla użytkownika funkcją jest zdalne sterowanie naszymi cyfrowymi systemami ultradźwiękowymi przez przeglądarkę. Dzięki zdalnemu sterowaniu przez przeglądarkę można z dowolnego miejsca zdalnie uruchamiać, zatrzymywać, regulować i monitorować procesor ultradźwiękowy.
Skontaktuj się z nami teraz, aby dowiedzieć się więcej o naszych wysokowydajnych homogenizatorach ultradźwiękowych do mielenia i nano-dyspersji!
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: