Dispersão fiável de nanopartículas para aplicações industriais

A ultra-sons de alta potência pode quebrar aglomerados de partículas de forma eficiente e fiável e até desintegrar partículas primárias. Devido ao seu desempenho de dispersão de alto desempenho, os ultrasonicators do tipo sonda são utilizados como método preferido para criar suspensões homogéneas de nanopartículas.

Dispersão fiável de nanopartículas por ultra-sons

Muitas indústrias exigem a preparação de suspensões, que são carregadas com nanopartículas. As nanopartículas são sólidos com um tamanho de partícula inferior a 100nm. Devido ao tamanho minúsculo das partículas, as nanopartículas apresentam propriedades únicas, tais como resistência excecional, dureza, caraterísticas ópticas, ductilidade, resistência aos raios UV, condutividade, propriedades eléctricas e electromagnéticas (EM), anti-corrosão, resistência aos riscos e outras caraterísticas extraordinárias.
Os ultra-sons de alta intensidade e baixa frequência criam uma cavitação acústica intensa, que é caracterizada por condições extremas, tais como forças de cisalhamento, diferenciais de pressão e temperatura muito elevados e turbulências. Estas forças cavitacionais aceleram as partículas, causando colisões entre partículas e, consequentemente, a sua fragmentação. Consequentemente, são obtidos materiais nanoestruturados com uma curva de tamanho de partícula estreita e uma distribuição uniforme.
O equipamento de dispersão por ultra-sons é adequado para tratar qualquer tipo de nanomateriais em água e solventes orgânicos, com viscosidades baixas a muito elevadas.

Dispersão ultra-sónica de nanotubos de carbono

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.

Dispersão ultra-sónica de nanopartículas de níquel

As nanopartículas de níquel podem ser produzidas com sucesso através da síntese de redução de hidrazina assistida por ultra-sons. A rota de síntese de redução de hidrazina permite preparar nanopartículas de níquel metálico puro com forma esférica pela redução química do cloreto de níquel com hidrazina. O grupo de investigação de Adám demonstrou que a ultra-sons – utilizando o Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – foi capaz de manter um tamanho médio de cristalito primário (7-8 nm) independentemente da temperatura aplicada, enquanto a utilização de períodos de sonicação intensos e mais curtos poderia reduzir os diâmetros solvodinâmicos das partículas agregadas secundárias de 710 nm para 190 nm na ausência de qualquer surfactante. A acidez e a atividade catalítica mais elevadas foram medidas para as nanopartículas preparadas por um tratamento de ultra-sons suave (30 W de potência de saída) e contínuo. O comportamento catalítico das nanopartículas foi testado numa reação de acoplamento cruzado Suzuki-Miyaura em cinco amostras preparadas de forma convencional e ultra-sónica. Os catalisadores ultrassonicamente preparados geralmente tiveram melhor desempenho, e a maior atividade catalítica foi medida sobre as nanopartículas preparadas sob sonicação contínua de baixa potência (30 W).
O tratamento por ultra-sons teve efeitos cruciais na tendência de agregação das nanopartículas: a influência de desfragmentação dos vazios de cavitação destruídos com a vigorosa transferência de massa pôde superar as forças electrostáticas atractivas dos vazios de cavitação destruídos com a vigorosa transferência de massa pôde superar as forças electrostáticas atractivas e as forças de van der Waals entre as partículas.
(cf. Adám et al. 2020)

Síntese ultra-sônica de nanopartículas de Wollastonite

A wollastonite é um mineral de inosilicato de cálcio com a fórmula química CaSiO3. A wollastonite é amplamente utilizada como componente para a produção de cimento, vidro, tijolo e telha na indústria da construção, como fundente na fundição de aço, bem como aditivo no fabrico de revestimentos e tintas. Por exemplo, a wollastonite proporciona reforço, endurecimento, baixa absorção de óleo e outras melhorias. A fim de obter excelentes propriedades de reforço da volastonite, a desaglomeração à escala nanométrica e a dispersão uniforme são essenciais.
Dordane e Doroodmand (2021) demonstraram em seus estudos que a dispersão ultra-sônica é um fator muito importante que infliuencia significativamente o tamanho e a morfologia das nanopartículas de wollastonita. Para avaliar a contribuição da sonicação na nano-dispersão de wollastonita, a equipe de pesquisa sintetizou nanopartículas de wollastonita com e sem a aplicação de ultrassônicos de alta potência. Para os seus ensaios de sonicação, os investigadores utilizaram o processador ultrassónico UP200H (Hielscher Ultrasonics) com uma frequência de 24 kHz durante 45,0 min. Os resultados da nano-dispersão ultra-sônica são mostrados no SEM de alta resolução abaixo. A imagem SEM mostra claramente que a amostra de wollastonite antes do tratamento ultrassónico é aglomerada e agregada; após a sonicação com o ultrasonicator UP200H o tamanho médio das partículas de wollastonite é de aprox. 10nm. O estudo demonstra que a dispersão ultra-sônica é uma técnica confiável e eficiente para sintetizar nanopartículas de wollastonite. O tamanho médio das nanopartículas pode ser controlado ajustando os parâmetros de processamento ultrassónico.
(cf. Dordane e Doroodmand, 2021)

Imagens SEM das nanopartículas de wollastonite (A) antes e (B) após ultra-sons utilizando o processador ultrassónico UP200H durante 45,0 min.
Estudo e imagem: ©Dordane e Doroodmand, 2021.

Dispersão ultra-sónica de nanocargas

A sonificação é um método versátil para dispersar e desaglomerar nanocargas em líquidos e lamas, por exemplo, polímeros, resinas epoxídicas, endurecedores, termoplásticos, etc. Por conseguinte, a sonificação é amplamente utilizada como um método de dispersão altamente eficiente em R&D e produção industrial.
Zanghellini et al. (2021) investigou a técnica de dispersão ultra-sônica para nanofillers em resina epóxi. Ele poderia demonstrar que a sonicação foi capaz de dispersar pequenas e altas concentrações de nanofillers em uma matriz de polímero.
Comparando várias formulações, o CNT oxidado a 0,5 wt% apresentou os melhores resultados de todas as amostras sonicadas, revelando distribuições de tamanho da maioria dos aglomerados numa gama comparável à das amostras produzidas em três moinhos de rolos, uma boa ligação ao endurecedor, a formação de uma rede de percolação no interior da dispersão, o que aponta para a estabilidade contra a sedimentação e, assim, uma estabilidade adequada a longo prazo. Quantidades de carga mais elevadas mostraram bons resultados semelhantes, mas também a formação de redes internas mais pronunciadas, bem como aglomerados um pouco maiores. Mesmo as nanofibras de carbono (CNF) puderam ser dispersas com sucesso através da sonicação. A dispersão direta por ultra-sons de nano cargas nos sistemas de endurecedores sem solventes adicionais foi conseguida com sucesso, podendo assim ser vista como um método aplicável para uma dispersão simples e direta com potencial para utilização industrial. (cf. Zanghellini et al., 2021)
 

Comparação de diferentes nanocargas dispersas no endurecedor (ultra-sons-US): (a) 0,5% em peso de nanofibras de carbono (CNF); (b) 0,5% em peso de CNToxi; (c) 0,5% em peso de nanotubos de carbono (CNT); (d) 0,5% em peso de CNT semi-disperso.
(Estudo e imagem: © Zanghellini et al., 2021)

Dispersão ultra-sónica de nanopartículas – Superioridade cientificamente comprovada

A pesquisa mostra em numerosos estudos sofisticados que a dispersão ultra-sônica é uma das técnicas superiores para desaglomerar e distribuir nanopartículas mesmo em alta concentração em líquidos. Por exemplo, Vikash (2020) investigou a dispersão de altas cargas de nano-sílica em líquidos viscosos usando o dispersor ultra-sônico Hielscher UP400S. Em seu estudo, ele chega à conclusão de que “a dispersão estável e uniforme de nanopartículas pode ser conseguida utilizando um dispositivo de ultra-sonicação com uma carga sólida elevada em líquidos viscosos.” [Vikash, 2020]

Processadores ultra-sónicos de elevado desempenho para dispersão de nanopartículas

A Hielscher Ultrasonics é o seu fornecedor de confiança para equipamento ultrassónico fiável e de elevado desempenho, desde sistemas de laboratório e piloto a sistemas industriais completos. Hielscher Ultrasonics’ os dispositivos possuem hardware sofisticado, software inteligente e uma excelente facilidade de utilização – concebidos e fabricados na Alemanha. As robustas máquinas de ultra-sons da Hielscher para dispersão, desaglomeração, síntese de nanopartículas e funcionalização podem ser operadas 24/7/365 sob carga total. Dependendo do seu processo e da sua instalação de produção, os nossos ultrasonicators podem ser executados em lote ou em modo contínuo em linha. Vários acessórios, tais como sonotrodos (sondas de ultra-sons), buzinas de reforço, células de fluxo e reactores estão prontamente disponíveis.
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O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: