Niezawodna dyspersja nanocząstek do zastosowań przemysłowych

Ultradźwięki o dużej mocy mogą skutecznie i niezawodnie rozbijać aglomeraty cząstek, a nawet rozpadać cząstki pierwotne. Ze względu na wysoką wydajność dyspersji, ultradźwięki typu sondy są stosowane jako preferowana metoda tworzenia jednorodnych zawiesin nanocząstek.

Niezawodna dyspersja nanocząstek przez ultradźwięki

Wiele gałęzi przemysłu wymaga przygotowania zawiesin zawierających nanocząstki. Nanocząstki to ciała stałe o wielkości cząstek mniejszej niż 100 nm. Ze względu na niewielki rozmiar cząstek, nanocząstki wykazują unikalne właściwości, takie jak wyjątkowa wytrzymałość, twardość, właściwości optyczne, plastyczność, odporność na promieniowanie UV, przewodność, właściwości elektryczne i elektromagnetyczne (EM), antykorozyjność, odporność na zarysowania i inne niezwykłe cechy.
Ultradźwięki o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości tworzą intensywną kawitację akustyczną, która charakteryzuje się ekstremalnymi warunkami, takimi jak siły ścinające, bardzo wysokie różnice ciśnienia i temperatury oraz turbulencje. Te siły kawitacyjne przyspieszają cząstki, powodując zderzenia międzycząsteczkowe, a w konsekwencji rozbijanie cząstek. W rezultacie uzyskuje się nanostrukturalne materiały o wąskiej krzywej wielkości cząstek i jednolitym rozkładzie.
Sprzęt do dyspergowania ultradźwiękowego nadaje się do obróbki wszelkiego rodzaju nanomateriałów w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych, o lepkości od niskiej do bardzo wysokiej.

Dyspersja ultradźwiękowa nanorurek węglowych

Ultrasonic dispersers are widely used for the purpose of dispersing carbon nanotubes (CNTs). Sonication is a reliable method to detangle and disperse single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as well as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). For instance, in order to produce a highly conductive thermoplastic polymer, high-purity (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; external diameter 9.5 nm; purity 95 +%) have been ultrasonically dispersed with the Hielscher UP200S for 30min. at room temperature. The ultrasonically dispersed Nanocyl® 3100 MWCNTs at a concentration of 1% w/w in the epoxy resin showed superior conductivity of approx. 1.5 × 10-2 S /m.

Dyspersja ultradźwiękowa nanocząstek niklu

Nanocząstki niklu mogą być z powodzeniem wytwarzane za pomocą ultradźwiękowo wspomaganej syntezy redukcji hydrazyny. Droga syntezy redukcji hydrazyny umożliwia przygotowanie czystej metalicznej nanocząstki niklu o kulistym kształcie poprzez chemiczną redukcję chlorku niklu hydrazyną. Grupa badawcza Adám wykazała, że ultradźwięki – przy użyciu Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – był w stanie utrzymać średnią wielkość krystalitów pierwotnych (7-8 nm) niezależnie od zastosowanej temperatury, podczas gdy zastosowanie intensywnych i krótszych okresów sonikacji mogło zmniejszyć średnice solwodynamiczne wtórnych, zagregowanych cząstek z 710 nm do 190 nm przy braku jakiegokolwiek środka powierzchniowo czynnego. Najwyższą kwasowość i aktywność katalityczną zmierzono dla nanocząstek przygotowanych przez łagodną (moc wyjściowa 30 W) i ciągłą obróbkę ultradźwiękową. Zachowanie katalityczne nanocząstek badano w reakcji krzyżowego sprzęgania Suzuki-Miyaura nad pięcioma próbkami przygotowanymi w sposób konwencjonalny, jak również ultradźwiękowy. Ultradźwiękowo przygotowane katalizatory zwykle działały lepiej, a najwyższą aktywność katalityczną mierzono nad nanocząstkami przygotowanymi pod niską mocą (30 W) ciągłej sonikacji.
Obróbka ultradźwiękowa miała kluczowy wpływ na tendencję do agregacji nanocząstek: wpływ defragmentacji zniszczonych pustek kawitacyjnych z energicznym przenoszeniem masy mógł przezwyciężyć przyciąganie elektrostatyczne zniszczonych pustek kawitacyjnych z energicznym przenoszeniem masy mógł przezwyciężyć przyciąganie elektrostatyczne i siły van der Waalsa między cząstkami.
(por. Adám et al. 2020)

Ultradźwiękowa synteza nanocząstek wollastonitu

Wollastonit to minerał z grupy krzemianów wapnia o wzorze chemicznym CaSiO3. Wollastonit jest szeroko stosowany jako składnik do produkcji cementu, szkła, cegieł i płytek w przemyśle budowlanym, jako topnik do odlewania stali, a także jako dodatek do produkcji powłok i farb. Na przykład wollastonit zapewnia wzmocnienie, utwardzenie, niską absorpcję oleju i inne ulepszenia. Aby uzyskać doskonałe właściwości wzmacniające wollastonitu, niezbędna jest deaglomeracja w skali nano i jednolita dyspersja.
Dordane i Doroodmand (2021) wykazali w swoich badaniach, że dyspersja ultradźwiękowa jest bardzo ważnym czynnikiem, który znacząco wpływa na wielkość i morfologię nanocząstek wollastonitu. Aby ocenić wpływ sonikacji na nanodyspersję wollastonitu, zespół badawczy zsyntetyzował nanocząstki wollastonitu z zastosowaniem ultradźwięków o dużej mocy i bez nich. Do prób sonikacji naukowcy wykorzystali metodę procesor ultradźwiękowy UP200H (Hielscher Ultrasonics) z częstotliwością 24 kHz przez 45,0 min. Wyniki ultradźwiękowej nano-dyspersji pokazano na poniższym SEM o wysokiej rozdzielczości. Obraz SEM wyraźnie pokazuje, że próbka wollastonitu przed obróbką ultradźwiękową jest aglomerowana i agregowana; po sonikacji za pomocą ultrasonografu UP200H średnia wielkość cząstek wollastonitu wynosi ok. 10 nm. Badanie pokazuje, że dyspersja ultradźwiękowa jest niezawodną i skuteczną techniką syntezy nanocząstek wollastonitu. Średnia wielkość nanocząstek może być kontrolowana poprzez dostosowanie parametrów przetwarzania ultradźwiękowego.
(por. Dordane i Doroodmand, 2021)

Obrazy SEM nanocząstek wollastonitu (A) przed i (B) po ultradźwiękach przy użyciu metody Procesor ultradźwiękowy UP200H przez 45,0 min.
Opracowanie i zdjęcie: ©Dordane i Doroodmand, 2021.

Ultradźwiękowa dyspersja nanowypełniaczy

Sonikacja jest wszechstronną metodą dyspergowania i deaglomeracji nanonapełniaczy w cieczach i zawiesinach, np. polimerach, żywicach epoksydowych, utwardzaczach, tworzywach termoplastycznych itp. Dlatego sonifikacja jest szeroko stosowana jako wysoce wydajna metoda dyspersji w R&D i produkcji przemysłowej.
Zanghellini et al. (2021) zbadali technikę dyspersji ultradźwiękowej dla nanowypełniaczy w żywicy epoksydowej. Wykazał, że sonikacja była w stanie zdyspergować małe i wysokie stężenia nanowypełniaczy w matrycy polimerowej.
Porównując różne preparaty, 0,5% wagowych utlenionych CNT wykazało najlepsze wyniki spośród wszystkich próbek sonikowanych, ujawniając rozkłady wielkości większości aglomeratów w zakresie porównywalnym do próbek wyprodukowanych w trzech młynach walcowych, dobre wiązanie z utwardzaczem, tworzenie sieci perkolacyjnej wewnątrz dyspersji, co wskazuje na stabilność przed sedymentacją, a tym samym odpowiednią stabilność długoterminową. Wyższe ilości wypełniacza wykazały podobne dobre wyniki, ale także tworzenie bardziej wyraźnych sieci wewnętrznych, a także nieco większych aglomeratów. Nawet nanowłókna węglowe (CNF) mogą być z powodzeniem dyspergowane za pomocą sonikacji. Bezpośrednia dyspersja nanonapełniaczy w układach utwardzacza bez dodatkowych rozpuszczalników została pomyślnie osiągnięta, a zatem może być postrzegana jako odpowiednia metoda dla prostej i nieskomplikowanej dyspersji z potencjałem do zastosowań przemysłowych. (por. Zanghellini i in., 2021)
 

Porównanie różnych nanonapełniaczy zdyspergowanych w utwardzaczu (ultradźwięki-US): (a) 0,5% wagowych nanowłókien węglowych (CNF); (b) 0,5% wagowych CNToxi; (c) 0,5% wagowych nanorurek węglowych (CNT); (d) 0,5% wagowych CNT częściowo zdyspergowanych.
(Opracowanie i zdjęcie: © Zanghellini et al., 2021)

Ultradźwiękowa dyspersja nanocząstek – Naukowo udowodniona wyższość

Badania pokazują w wielu zaawansowanych badaniach, że dyspersja ultradźwiękowa jest jedną z najlepszych technik deaglomeracji i dystrybucji nanocząstek nawet przy wysokim stężeniu w cieczach. Na przykład Vikash (2020) badał dyspersję dużych obciążeń nanokrzemionki w lepkich cieczach za pomocą dyspergatora ultradźwiękowego Hielscher UP400S. W swoim badaniu doszedł do wniosku, że "stabilną i jednorodną dyspersję nanocząstek można osiągnąć za pomocą urządzenia ultradźwiękowego przy wysokim obciążeniu stałym w lepkich cieczach". [Vikash, 2020].

Wysokowydajne procesory ultradźwiękowe do dyspersji nanocząstek

Hielscher Ultrasonics jest godnym zaufania dostawcą niezawodnego, wysokowydajnego sprzętu ultradźwiękowego, od systemów laboratoryjnych i pilotażowych po systemy w pełni przemysłowe. Hielscher Ultrasonics’ Urządzenia charakteryzują się zaawansowanym sprzętem, inteligentnym oprogramowaniem i wyjątkową łatwością obsługi – zaprojektowane i wyprodukowane w Niemczech. Wytrzymałe maszyny ultradźwiękowe firmy Hielscher do dyspersji, deaglomeracji, syntezy nanocząstek i funkcjonalizacji mogą pracować w trybie 24/7/365 pod pełnym obciążeniem. W zależności od procesu i zakładu produkcyjnego, nasze ultrasonografy mogą pracować w trybie wsadowym lub ciągłym w linii. Różne akcesoria, takie jak sonotrody (sondy ultradźwiękowe), rogi wspomagające, komórki przepływowe i reaktory są łatwo dostępne.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby uzyskać więcej informacji technicznych, badań naukowych, protokołów i wycenę naszych ultradźwiękowych systemów nanodyspersji! Nasz dobrze wyszkolony, doświadczony personel z przyjemnością omówi z Tobą Twoje nano-zastosowanie!

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: