Ultradźwiękowa synteza diamentów do celów przemysłowych
- Ze względu na intensywną siłę kawitacyjną, ultradźwięki mocy są obiecującą techniką wytwarzania diamentów o wielkości mikronów i nano z grafitu.
- Mikro- i nanokrystaliczne diamenty mogą być syntetyzowane za pomocą sonikacji zawiesiny grafitu w cieczy organicznej pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze pokojowej.
- Ultradźwięki są również pomocnym narzędziem do obróbki końcowej zsyntetyzowanych nanodiamentów, ponieważ ultradźwięki bardzo skutecznie rozpraszają, deaglomerują i funkcjonalizują nanocząsteczki.
Ultradźwięki do obróbki nanodiamentów
Nanodiamenty (zwane również diamentami detonacyjnymi (DND) lub diamentami ultradyspersyjnymi (UDD)) są specjalną formą nanomateriałów węglowych wyróżniających się unikalnymi właściwościami - takimi jak ich siatka struktura, jego duży powierzchniajak również unikalne optyczny i magnetyczny właściwości - i wyjątkowe zastosowania. Właściwości ultradyspersyjnych cząstek sprawiają, że materiały te są innowacyjnymi związkami do tworzenia nowych materiałów o niezwykłych funkcjach. Rozmiar cząstek diamentu w sadzy wynosi około 5 nm.
Pod wpływem intensywnych sił, takich jak sonikacja lub detonacja, grafit może zostać przekształcony w diament.
Ultradźwiękowo syntetyzowane nanodiamenty
Synteza diamentów jest ważnym obszarem badawczym o znaczeniu naukowym i komercyjnym. Powszechnie stosowanym procesem syntezy mikrokrystalicznych i nanokrystalicznych cząstek diamentu jest technika wysokociśnieniowo-wysokotemperaturowa (HPHT). Dzięki tej metodzie, wymagane ciśnienie procesowe wynoszące dziesiątki tysięcy atmosfer i temperatury przekraczające 2000 K są generowane w celu wytworzenia głównej części światowej podaży diamentu przemysłowego. Do przekształcenia grafitu w diament wymagane są wysokie ciśnienia i temperatury, a w celu zwiększenia wydajności diamentu stosuje się katalizatory.
Te wymagania potrzebne do transformacji mogą być generowane bardzo efektywnie poprzez użycie ultradźwięki dużej mocy (= ultradźwięki o niskiej częstotliwości i wysokiej intensywności):
Kawitacja ultradźwiękowa
Ultradźwięki w cieczach powodują lokalnie bardzo ekstremalne efekty. Podczas sonikowania cieczy z dużą intensywnością, fale dźwiękowe, które rozprzestrzeniają się w ciekłych mediach, powodują naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie), z szybkością zależną od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności tworzą małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie w cieczy. Gdy pęcherzyki osiągną objętość, przy której nie mogą już absorbować energii, zapadają się gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to określa się mianem kawitacja. Podczas implozji lokalnie osiągane są bardzo wysokie temperatury (ok. 5000K) i ciśnienia (ok. 2000atm). Implozja pęcherzyka kawitacyjnego powoduje również powstanie strumieni cieczy o prędkości do 280 m/s. (Suslick 1998) Oczywiste jest, że mikro- i nanokrystaliczny diamenty mogą być syntetyzowane w dziedzinie ultradźwięków kawitacja.
Ultradźwiękowa procedura syntezy nanodiamentów
De facto, badania Khachatryan et al. (2008) pokazują, że mikrokryształy diamentu mogą być również syntetyzowane przez ultradźwięki zawiesiny grafitu w cieczy organicznej pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze pokojowej. Jako płyn kawitacyjny wybrano formułę oligomerów aromatycznych ze względu na niską prężność pary nasyconej i wysoką temperaturę wrzenia. W tej cieczy, specjalny czysty proszek grafitowy – z cząstkami w zakresie 100-200 µm - został zawieszony. W eksperymentach Kachatryana i in. stosunek masy ciała stałego do płynu wynosił 1:6, gęstość płynu kawitacyjnego wynosiła 1,1 g cm-3 w temperaturze 25°C. Maksymalna intensywność ultradźwięków w sonoreaktorze wynosiła 75-80 W cm-2 co odpowiada amplitudzie ciśnienia akustycznego 15-16 barów.
Osiągnięto około 10% konwersję grafitu na diament. Diamenty były prawie monodyspersyjny z bardzo ostrym, dobrze zaprojektowanym rozmiarem w zakresie 6 lub 9 μm ± 0,5 μm, z sześciennym, krystaliczny morfologia i wysoka czystość.
Obrazy SEM ultradźwiękowo syntetyzowanych diamentów: zdjęcia (a) i (b) przedstawiają serię próbek 1, (c) i (d) serię próbek 2. [Khachatryan et al. 2008].
The koszty mikro- i nanodiamentów wytwarzanych tą metodą szacuje się na konkurencyjny z procesem wysokociśnieniowo-wysokotemperaturowym (HPHT). To sprawia, że ultradźwięki są innowacyjną alternatywą dla syntezy mikro- i nanodiamentów (Khachatryan et al. 2008), zwłaszcza że proces produkcji nanodiamentów można zoptymalizować poprzez dalsze badania. Wiele parametrów, takich jak amplituda, ciśnienie, temperatura, płyn kawitacyjny i stężenie muszą być dokładnie zbadane, aby odkryć najlepsze miejsce ultradźwiękowej syntezy nanodiamentów.
Dzięki wynikom osiągniętym w syntezie nanodiamentów, dalsze generowane ultradźwiękowo kawitacja oferuje potencjał do syntezy innych ważnych związków, takich jak sześcienny azotek boru, azotek węgla itp. (Khachatryan et al. 2008).
Co więcej, wydaje się możliwe tworzenie nanodrutów i nanoprętów diamentowych z wielościennych nanorurek węglowych (MWCNT) pod wpływem promieniowania ultradźwiękowego. Nanodruty diamentowe są jednowymiarowymi analogami diamentu. Ze względu na wysoki moduł sprężystości, stosunek wytrzymałości do masy i względną łatwość, z jaką jego powierzchnie mogą być funkcjonalizowane, diament został uznany za optymalny materiał do projektów nanomechanicznych. (Sun et al. 2004)
Ultradźwiękowe dyspergowanie nanodiamentów
Jak już opisano, deaglomeracja i równomierny rozkład wielkości cząstek w medium są niezbędne do skutecznego wykorzystania unikalnych właściwości nanodiamentów.
dyspersja i deaglomeracja przez ultradźwięki są wynikiem działania ultradźwięków kawitacja. Podczas wystawiania cieczy na działanie ultradźwięków fale dźwiękowe rozchodzące się w cieczy powodują naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia. Powoduje to mechaniczne naprężenie sił przyciągających pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami. Kawitacja ultradźwiękowa w cieczach powoduje powstawanie szybkich strumieni cieczy o prędkości do 1000 km/godz. Takie strumienie wtłaczają ciecz pod wysokim ciśnieniem pomiędzy cząsteczki i oddzielają je od siebie. Mniejsze cząstki są przyspieszane przez strumienie cieczy i zderzają się z dużą prędkością. To sprawia, że ultradźwięki są skutecznym środkiem do rozpraszania, ale także do frezowanie cząstek o rozmiarach mikronowych i submikronowych.
Na przykład, nanodiamenty (średni rozmiar około 4 nm) i polistyren mogą być zdyspergowane w cykloheksanie w celu uzyskania specjalnego kompozytu. W swoich badaniach Chipara et al. (2010) przygotowali kompozyty polistyrenu i nanodiamentów, zawierające nanodiamenty w zakresie od 0 do 25% masy. Aby uzyskać równomierną dyspersja, poddawali roztwór sonikacji przez 60 minut za pomocą Hielscher's UIP1000hd (1kW).
Ultradźwiękowo wspomagana funkcjonalizacja nanodiamentów
W celu sfunkcjonalizowania całej powierzchni każdej nanocząstki, jej powierzchnia musi być dostępna dla reakcji chemicznej. Oznacza to, że wymagana jest równomierna i drobna dyspersja, ponieważ dobrze zdyspergowane cząstki są otoczone warstwą graniczną cząsteczek przyciąganych do powierzchni cząstek. Aby uzyskać nowe grupy funkcyjne na powierzchni nanodiamentów, warstwa graniczna musi zostać przerwana lub usunięta. Proces łamania i usuwania warstwy granicznej można przeprowadzić za pomocą ultradźwięków.
Ultradźwięki wprowadzone do cieczy generują różne ekstremalne efekty, takie jak kawitacja, lokalnie bardzo wysoka temperatura do 2000K i strumienie cieczy o prędkości do 1000km/godz. (Suslick 1998) Dzięki tym czynnikom naprężającym siły przyciągające (np. siły Van-der-Waalsa) mogą zostać przezwyciężone, a cząsteczki funkcjonalne są przenoszone na powierzchnię cząstki w celu funkcjonalizacji, np. powierzchni nanodiamentów.
Schemat 1: Schemat deaglomeracji in situ i funkcjonalizacji powierzchni nanodiamentów (Liang 2011)
Eksperymenty z obróbką BASD (Bead-Assisted Sonic Disintegration) wykazały obiecujące wyniki w zakresie funcjonalizacji powierzchni nanodiamentów. W związku z tym kulki (np. mikrokulki ceramiczne, takie jak kulki ZrO2) zostały użyte do wymuszenia ultradźwięków. kawitacyjny na cząstki nanodiamentu. Dezaglomeracja następuje w wyniku międzycząsteczkowej kolizji między cząsteczkami nanodiamentu i ZrO2 koraliki.
Ze względu na lepszą dostępność powierzchni cząstek, w przypadku reakcji chemicznych, takich jak redukcja Borana, arylacja lub silanizacja, zaleca się wstępną obróbkę ultradźwiękową lub BASD (dezintegracja soniczna wspomagana kulkami) w celu rozproszenia. Za pomocą ultradźwięków Dyspersacja i deaglomeracja reakcja chemiczna może przebiegać znacznie pełniej.
Kawitacja ultradźwiękowa powoduje ekstremalne różnice temperatur i ciśnień oraz szybkie strumienie cieczy. Tym samym ultradźwięki mocy są skuteczną metodą przetwarzania w zastosowaniach związanych z mieszaniem i frezowaniem.
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura/Referencje
- Khachatryan, A. Kh. et al.: Transformacja grafitu w diament wywołana kawitacją ultradźwiękową. W: Diament & Related Materials 17, 2008; pp931-936.
- Galimov, Erik & Kudin, A. & Skorobogatskii, V. & Plotnichenko, V. & Bondarev, O. & Zarubin, B. & Strazdovskii, V. & Aronin, Aleksandr & Fisenko, A. & Bykov, I. & Barinov, A. (2004): Eksperymentalne potwierdzenie syntezy diamentu w procesie kawitacji. Doklady Fizyki – DOKL PHYS. 49. 150-153.
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojanan, C, & Mochalin, V. N. (2016): Wspomagana solą ultradźwiękowa dezagregacja nanodiamentów. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(38), 25461-25468.
- Basma H. Al-Tamimi, Iman I. Jabbar, Haitham M. Al-Tamimi (2919): Synteza i charakterystyka nanokrystalicznego diamentu z płatków grafitu w procesie promowanym kawitacją. Heliyon, tom 5, wydanie 5, 2019.
- Krueger, A.: Struktura i reaktywność diamentu w nanoskali. In: J Mater Chem 18, 2008; pp. 1485-1492.
- Liang, Y: Deagglomerierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamant mittels thermochemischer und mechanochemischer Methoden. Dissertation Julius-Maximilian-Universität Würzburg 2011.
- Osawa, E.: Monodyspersyjne pojedyncze cząstki nanodiamentów. In: Pure Appl Chem 80/7, 2008; pp. 1365-1379.
- Pramatarova, L. et al.: The advantage of Polymer Composites with Detonation Nanodiamond Particles for Medical Applications. In: On Biomimetics; pp. 298-320.
- Sun, L.; Gong, J.; Zhu, D.; Zhu, Z.; He, S.: Diamentowe nanopręty z nanorurek węglowych. In: Advanced Materials 16/2004. pp. 1849-1853.
- Suslick, K.S.: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed. J. Wiley & Sons: New York; 26, 1998; str. 517-541.
- Chipara, A. C. et al.: Właściwości termiczne cząstek nanodiamentu zdyspergowanych w polistyrenie. HESTEC 2010.
- El-Say, K. M.: Nanodiamenty jako system dostarczania leków: Application and prospective. In J Appl Pharm Sci 01/06, 2011; pp. 29-39.
nanodiamenty – Użytkowanie i zastosowania
Ziarna nanodiamentów są niestabilne ze względu na ich potencjał zeta. W związku z tym mają tendencję do tworzenia agregatów. Powszechnym zastosowaniem nanodiamentów jest użycie ich w materiałach ściernych, narzędziach tnących i polerujących oraz radiatorach. Innym potencjalnym zastosowaniem jest wykorzystanie nanodiamentów jako nośników leków dla aktywnych składników farmaceutycznych (por. Pramatarova). Przez ultradźwiękiPo pierwsze, nanodiamenty mogą być syntetyzowane z grafitu, a po drugie, nanodiamenty o silnej tendencji do aglomeracji mogą być równomiernie syntetyzowane z grafitu. rozproszony do płynnych mediów (np. w celu utworzenia środka polerującego).