Dispersão ultrassónica de nanomateriais (nanopartículas)
Os nanomateriais tornaram-se um componente integrante de produtos tão diversos como materiais de elevado desempenho, protetores solares, revestimentos de elevado desempenho ou compósitos plásticos. A cavitação ultrassónica é utilizada para dispersar partículas de dimensão nanométrica em líquidos, como água, óleo, solventes ou resinas.
Dispersão ultrassónica de nanopartículas
A aplicação da dispersão ultrassónica de nanopartículas tem múltiplos efeitos. O mais evidente é a dispersão de materiais em líquidos para romper os aglomerados de partículas. Outro processo é a aplicação de ultrassons durante a síntese ou precipitação de partículas. Geralmente, isto resulta em partículas mais pequenas e numa maior uniformidade de tamanho. A cavitação ultrassónica também melhora a transferência de matéria nas superfícies das partículas. Este efeito pode ser utilizado para melhorar a funcionalização da superfície de materiais com uma elevada área superficial específica.
Dispersão e redução do tamanho de nanomateriais
Os nanomateriais, por exemplo, óxidos metálicos, nanoargilas ou nanotubos de carbono , tendem a formar aglomerados quando são misturados num líquido. São necessários meios eficazes de desaglomeração e dispersão para superar as forças de ligação após a molhagem do pó. A rutura ultrassónica das estruturas dos aglomerados em suspensões aquosas e não aquosas permite aproveitar todo o potencial dos materiais de dimensão nanométrica. Estudos de várias dispersões de aglomerados de nanopartículas com um teor variável de sólidos demonstraram a vantagem considerável dos ultrassons em comparação com outras tecnologias, como misturadores de rotor-estator (por exemplo, ultra turrax), homogeneizadores de pistão ou métodos de moagem por via húmida, por exemplo, moinhos de esferas ou moinhos coloidais. Os sistemas ultrassónicos Hielscher podem funcionar com concentrações de sólidos bastante elevadas. Por exemplo, no caso da sílica , verificou-se que a taxa de rutura era independente da concentração de sólidos até 50% em massa. Os ultrassons podem ser aplicados à dispersão de masterbatches de elevada concentração – processando líquidos de baixa e alta viscosidade. Isto torna os ultrassons uma boa solução de processamento para tintas e revestimentos à base de diferentes meios, como água, resina ou óleo.
Homogeneizador ultrassónico UP400St para nanodispersões
Cavitação ultrassónica
A dispersão e a desaglomeração por sonicação resultam da cavitação ultrassónica. Quando os líquidos são expostos a ultrassons, as ondas sonoras que se propagam no líquido originam ciclos alternados de alta e baixa pressão. Isto exerce tensão mecânica sobre as forças de atração entre as partículas individuais. A cavitação ultrassónica em líquidos provoca jatos de líquido a alta velocidade, até 1000km/hr (aprox. 600mph). Estes jatos forçam o líquido a alta pressão a passar entre as partículas, separando-as umas das outras. As partículas mais pequenas são aceleradas pelos jatos de líquido e colidem a altas velocidades. Isto torna os ultrassons um meio eficaz para a dispersão, mas também para a moagem de partículas de dimensão micrométrica e submicrométrica.
Síntese / precipitação de partículas assistida por ultrassons
As nanopartículas podem ser geradas por síntese ou precipitação através de uma abordagem de baixo para cima. A sonoquímica é uma das primeiras técnicas utilizadas para preparar compostos de dimensão nanométrica. No seu trabalho original, Suslick submeteu Fe(CO)5 a sonicação, quer como líquido puro, quer numa solução de deaclin, e obteve nanopartículas de ferro amorfo com um tamanho de 10–20nm. Geralmente, uma mistura sobressaturada começa a formar partículas sólidas a partir de um material altamente concentrado. A sonicação melhora a mistura dos precursores e aumenta a transferência de massa na superfície das partículas. Isto resulta num menor tamanho das partículas e numa maior uniformidade.
UIP2000hdT, um potente sonicador de 2kW para dispersar SWCNTs.
Funcionalização da superfície com ultrassons
Muitos nanomateriais, como óxidos metálicos, tinta para impressão a jato de tinta e pigmentos de toner, ou cargas para revestimentos de elevado desempenho, requerem funcionalização da superfície. Para funcionalizar toda a superfície de cada partícula individual, é necessário um bom método de dispersão. Quando estão dispersas, as partículas encontram-se normalmente rodeadas por uma camada limite de moléculas atraídas para a superfície da partícula. Para que novos grupos funcionais cheguem à superfície da partícula, esta camada limite tem de ser rompida ou removida. Os jatos de líquido resultantes da cavitação ultrassónica podem atingir velocidades até 1000km/hr. Esta tensão ajuda a superar as forças de atração e transporta as moléculas funcionais até à superfície das partículas. Na sonoquímica, este efeito é utilizado para melhorar o desempenho dos catalisadores dispersos.
Sonicação antes da medição do tamanho das partículas
A sonicação das amostras melhora a precisão da medição do tamanho ou da morfologia das partículas. O novo SonoStep combina ultrassons, agitação e bombeamento de amostras num design compacto. É fácil de utilizar e pode ser usado para fornecer amostras submetidas a sonicação a equipamentos analíticos, como analisadores do tamanho de partículas. A sonicação intensa ajuda a dispersar partículas aglomeradas, conduzindo a resultados mais consistentes. Clique aqui para saber mais!
Processamento ultrassónico à escala laboratorial e de produção
Estão disponíveis processadores ultrassónicos e células de fluxo para desaglomeração e dispersão à escala de laboratório e produção . Os sistemas industriais podem ser facilmente adaptados para funcionar em linha. Para a investigação e o desenvolvimento de processos, recomendamos a utilização do UIP1000hd (1 000 watts).
A Hielscher oferece uma vasta gama de equipamentos ultrassónicos e acessórios para a dispersão eficiente de nanomateriais, por exemplo, em tintas, tintas de impressão e revestimentos.
- Equipamentos laboratoriais compactos com até 400 watts de potência.
Estes equipamentos são utilizados principalmente para a preparação de amostras ou estudos iniciais de viabilidade e estão disponíveis para aluguer. - 500 e 1 000 e 2 000 watts são as potências de processadores ultrassónicos como o conjunto UIP1000hd com célula de fluxo e vários amplificadores de amplitude e sonotrodos , que podem processar fluxos de maior volume.
Equipamentos deste tipo são utilizados na otimização dos parâmetros (como amplitude, pressão de funcionamento, caudal, etc.) à escala de bancada ou de instalação-piloto. - Os processadores ultrassónicos de 2kW, 4kW, 10kW e 16kW e os agrupamentos maiores de várias destas unidades podem processar fluxos com volumes de produção de praticamente qualquer dimensão.
Os equipamentos de bancada estão disponíveis para aluguer em condições favoráveis para realizar ensaios de processo. Os resultados destes ensaios podem ser extrapolados linearmente para a escala de produção – reduzindo o risco e os custos envolvidos no desenvolvimento do processo. Teremos todo o gosto em prestar-lhe assistência online, por telefone ou pessoalmente. Consulte aqui os nossos endereços, ou utilize o formulário abaixo.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:
| Volume por lote | Caudal | Equipamentos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20L | 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superior | agrupamento de UIP16000 |
Contacte-nos! / Coloque-nos as suas questões!
Nanomateriais – Informações de enquadramento
Os nanomateriais são materiais com um tamanho inferior a 100nm. Estão a ser rapidamente incorporados nas formulações de tintas, tintas de impressão e revestimentos. Os nanomateriais dividem-se em três grandes categorias: óxidos metálicos, nanoargilas e nanotubos de carbono. As nanopartículas de óxidos metálicos incluem óxido de zinco, óxido de titânio, óxido de ferro, óxido de cério e óxido de zircónio à escala nanométrica, bem como compostos de metais mistos, como óxido de índio e estanho e zircónio e titânio, bem como compostos de metais mistos, como óxido de índio e estanho. Esta matéria de pequenas dimensões tem impacto em muitas disciplinas, como a física, a química e a biologia. Nas tintas e nos revestimentos, os nanomateriais satisfazem necessidades decorativas (por exemplo, cor e brilho), cumprem funções específicas (por exemplo, condutividade, inativação microbiana) e melhoram a proteção (por exemplo, resistência a riscos, estabilidade aos UV) das tintas e dos revestimentos. Em particular, os óxidos metálicos de dimensão nanométrica, como TiO2 e ZnO ou alumina, céria e sílica , e os pigmentos de dimensão nanométrica são utilizados em novas formulações de tintas e revestimentos.
Quando o tamanho da matéria é reduzido, as suas características mudam, como a cor e a interação com outra matéria, nomeadamente a reatividade química. A alteração das características é causada pela alteração das propriedades eletrónicas. Com a redução do tamanho das partículas, a área superficial do material aumenta. Por este motivo, uma maior percentagem dos átomos pode interagir com outra matéria, por exemplo, com a matriz de resinas.
A atividade superficial é um aspeto fundamental dos nanomateriais. A aglomeração e a agregação impedem o contacto da área superficial com outra matéria. Apenas partículas bem dispersas ou dispersas individualmente permitem aproveitar todo o potencial benéfico da matéria. Consequentemente, uma boa dispersão reduz a quantidade de nanomateriais necessária para obter os mesmos efeitos. Como a maioria dos nanomateriais ainda é bastante dispendiosa, este aspeto é de grande importância para a comercialização de formulações de produtos que contêm nanomateriais. Atualmente, muitos nanomateriais são produzidos por um processo a seco. Por isso, as partículas têm de ser misturadas em formulações líquidas. É nesta fase que a maioria das nanopartículas forma aglomerados durante a molhagem. Em particular, os nanotubos de carbono são muito coesivos, o que dificulta a sua dispersão em líquidos, como água, etanol, óleo, polímero ou resina epóxi. Os equipamentos de processamento convencionais, por exemplo, misturadores de elevado cisalhamento ou de rotor-estator, homogeneizadores de alta pressão ou moinhos coloidais e de discos, não conseguem separar suficientemente as nanopartículas em partículas individuais. Em particular, para matéria de pequenas dimensões, desde vários nanómetros até um par de micrómetros, a cavitação ultrassónica é muito eficaz na rutura de aglomerados, agregados e até de partículas primárias. Quando os ultrassons são utilizados para a moagem de lotes de elevada concentração, os jatos de líquido resultantes da cavitação ultrassónica fazem as partículas colidir umas com as outras a velocidades até 1000km/h. Isto rompe as forças de van der Waals nos aglomerados e até nas partículas primárias.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração à escala laboratorial, piloto e industrial.