Dispersarea cu ultrasunete a nanomaterialelor (nanoparticule)
Nanomaterialele au devenit o componentă integrantă a unor produse atât de diverse precum materialele de înaltă performanță, cremele de protecție solară, acoperirile de performanță sau compozitele din plastic. Cavitația ultrasonică este utilizată pentru dispersarea particulelor de dimensiuni nanometrice în lichide, cum ar fi apa, uleiul, solvenții sau rășinile.
Dispersarea cu ultrasunete a nanoparticulelor
Aplicarea dispersării cu ultrasunete a nanoparticulelor are efecte multiple. Cel mai evident este dispersarea materialelor în lichide în scopul spargerii aglomeratelor de particule. Un alt proces este aplicarea ultrasunetelor în timpul sintezei sau precipitării particulelor. În general, aceasta conduce la particule mai mici și la o uniformitate crescută a dimensiunilor. Cavitația ultrasonică îmbunătățește, de asemenea, transferul de material la suprafața particulelor. Acest efect poate fi utilizat pentru a îmbunătăți funcționalizarea suprafeței materialelor cu suprafață specifică mare.
Dispersarea și reducerea dimensiunii nanomaterialelor
Nanomaterialele, de exemplu oxizii metalici, nanoargilele sau nanotuburile de carbon tind să se aglomereze atunci când sunt amestecate într-un lichid. Sunt necesare mijloace eficiente de dezaglomerare și dispersare pentru a învinge forțele de legătură după umectarea pulberii. Spargerea cu ultrasunete a structurilor de aglomerate în suspensii apoase și neapoase permite valorificarea întregului potențial al materialelor de dimensiuni nanometrice. Investigațiile efectuate pe diverse dispersii de aglomerate nanoparticulate cu un conținut variabil de solide au demonstrat avantajul considerabil al ultrasunetelor în comparație cu alte tehnologii, cum ar fi mixerele rotor-stator (de exemplu, ultra turrax), omogenizatoarele cu piston sau metodele de măcinare umedă, de exemplu morile cu bile sau morile coloidale. Sistemele cu ultrasunete Hielscher pot funcționa la concentrații de solide destul de ridicate. De exemplu, pentru silice s-a constatat că rata de fragmentare este independentă de concentrația de solide de până la 50% în greutate. Ultrasunetele pot fi aplicate pentru dispersarea masterbatch-urilor de concentrație ridicată – procesând lichide cu vâscozitate scăzută și ridicată. Acest lucru face din ultrasunete o soluție bună de procesare pentru vopsele și acoperiri pe bază de diferite medii, cum ar fi apa, rășina sau uleiul.
Omogenizator cu ultrasunete UP400St pentru nanodispersii
Cavitația ultrasonică
Dispersarea și dezaglomerarea prin sonicare sunt rezultatul cavitației ultrasonice. Atunci când lichidele sunt expuse la ultrasunete, undele sonore care se propagă în lichid produc cicluri alternante de presiune înaltă și presiune joasă. Acestea exercită un stres mecanic asupra forțelor de atracție dintre particulele individuale. Cavitația ultrasonică în lichide generează jeturi de lichid de mare viteză, de până la 1000km/hr (aprox. 600mph). Astfel de jeturi presează lichidul la presiune ridicată între particule și le separă unele de altele. Particulele mai mici sunt accelerate odată cu jeturile de lichid și se ciocnesc la viteze mari. Acest lucru face din ultrasunete un mijloc eficient pentru dispersarea, dar și pentru măcinarea particulelor de dimensiuni micronice și submicronice.
Sinteza / precipitarea particulelor asistată de ultrasunete
Nanoparticulele pot fi generate ascendent (bottom-up) prin sinteză sau precipitare. Sonochimia este una dintre cele mai timpurii tehnici utilizate pentru prepararea compușilor de dimensiuni nanometrice. Suslick, în lucrarea sa originală, a sonicat Fe(CO)5 fie ca lichid pur, fie într-o soluție de deaclin și a obținut nanoparticule amorfe de fier cu dimensiuni de 10-20nm. În general, un amestec suprasaturat începe să formeze particule solide dintr-un material foarte concentrat. Sonicarea îmbunătățește amestecarea precursorilor și crește transferul de masă la suprafața particulelor. Acest lucru conduce la o dimensiune mai mică a particulelor și la o uniformitate mai mare.
UIP2000hdT, un sonicator puternic de 2kW pentru dispersarea SWCNT-urilor.
Funcționalizarea suprafeței cu ajutorul ultrasunetelor
Multe nanomateriale, precum oxizii metalici, pigmenții pentru cerneluri inkjet și tonere sau materialele de umplutură pentru acoperiri de performanță, necesită funcționalizarea suprafeței. Pentru a funcționaliza întreaga suprafață a fiecărei particule individuale, este necesară o metodă bună de dispersare. Atunci când sunt dispersate, particulele sunt de obicei înconjurate de un strat limită de molecule atrase de suprafața particulei. Pentru ca noile grupări funcționale să ajungă la suprafața particulei, acest strat limită trebuie spart sau îndepărtat. Jeturile de lichid rezultate din cavitația ultrasonică pot atinge viteze de până la 1000km/hr. Acest stres ajută la învingerea forțelor de atracție și transportă moleculele funcționale la suprafața particulei. În sonochimie, acest efect este utilizat pentru a îmbunătăți performanța catalizatorilor dispersați.
Sonicarea înainte de măsurarea dimensiunii particulelor
Sonicarea probelor îmbunătățește precizia măsurătorilor dumneavoastră privind dimensiunea particulelor sau morfologia. Noul SonoStep combină ultrasunetele, agitarea și pomparea probelor într-un design compact. Este ușor de utilizat și poate fi folosit pentru a livra probe sonicate către dispozitive analitice, cum ar fi analizoarele de dimensiune a particulelor. Sonicarea intensă ajută la dispersarea particulelor aglomerate, conducând la rezultate mai consecvente.Faceți clic aici pentru a citi mai multe!
Procesare cu ultrasunete la scară de laborator și de producție
Procesoarele cu ultrasunete și celulele de flux pentru dezaglomerare și dispersare sunt disponibile pentru laborator și producție deopotrivă. Sistemele industriale pot fi ușor adaptate pentru a funcționa în linie (inline). Pentru cercetare și dezvoltarea proceselor vă recomandăm utilizarea UIP1000hd (1.000 de wați).
Hielscher oferă o gamă largă de dispozitive și accesorii cu ultrasunete pentru dispersarea eficientă a nanomaterialelor, de exemplu în vopsele, cerneluri și acoperiri.
- Dispozitive compacte de laborator cu o putere de până la 400 de wați.
Aceste dispozitive sunt utilizate în principal pentru pregătirea probelor sau pentru studii inițiale de fezabilitate și sunt disponibile pentru închiriere. - 500 și 1.000 și 2.000 de wați – procesoarele cu ultrasunete de aceste puteri precum setul UIP1000hd cu celulă de flux și diverse boostere și sonotrode pot procesa fluxuri de volum mai mare.
Dispozitive ca acestea sunt utilizate pentru optimizarea parametrilor (precum: amplitudinea, presiunea de lucru, debitul etc.) la scară de banc de laborator sau de instalație pilot. - Procesoarele cu ultrasunete de 2kW, 4kW, 10kW și 16kW și clusterele mai mari formate din mai multe astfel de unități pot procesa fluxuri de volum de producție la aproape orice nivel.
Echipamentele de banc de laborator sunt disponibile pentru închiriere în condiții avantajoase, pentru efectuarea de teste de proces. Rezultatele acestor teste pot fi scalate liniar la nivel de producție – reducând riscurile și costurile implicate în dezvoltarea procesului. Vă vom ajuta cu plăcere online, la telefon sau personal. Găsiți adresele noastre aici, sau utilizați formularul de mai jos.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a sonicatoarelor noastre:
| Volum per lot | Debit | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500mL | 10 până la 200mL/min | UP100H |
| 10 până la 2000mL | 20 până la 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 până la 20L | 0,2 până la 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | cluster de UIP16000 |
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Nanomateriale – Informații generale
Nanomaterialele sunt materiale cu dimensiuni mai mici de 100nm. Ele pătrund rapid în formulările de vopsele, cerneluri și acoperiri. Nanomaterialele se împart în trei mari categorii: oxizi metalici, nanoargile și nanotuburi de carbon. Nanoparticulele de oxizi metalici includ oxid de zinc, oxid de titan, oxid de fier, oxid de ceriu și oxid de zirconiu la scară nanometrică, precum și compuși metalici micști, cum ar fi oxidul de indiu-staniu și zirconiul și titanul, precum și compuși metalici micști, cum ar fi oxidul de indiu-staniu. Această materie de mici dimensiuni are un impact asupra multor discipline, cum ar fi fizica, chimia și biologia. În vopsele și acoperiri, nanomaterialele îndeplinesc necesități decorative (de exemplu, culoare și luciu), scopuri funcționale (de exemplu, conductivitate, inactivare microbiană) și îmbunătățesc protecția (de exemplu, rezistența la zgâriere, stabilitatea UV) vopselelor și acoperirilor. În special oxizii metalici de dimensiuni nanometrice, cum ar fi TiO2 și ZnO sau alumina, ceria și silicea și pigmenții de dimensiuni nanometrice își găsesc aplicarea în noile formulări de vopsele și acoperiri.
Atunci când materia este redusă ca dimensiune, își schimbă caracteristicile, cum ar fi culoarea și interacțiunea cu alte materii, precum reactivitatea chimică. Schimbarea caracteristicilor este cauzată de modificarea proprietăților electronice. Prin reducerea dimensiunii particulelor, suprafața materialului crește. Datorită acestui fapt, un procent mai mare din atomi poate interacționa cu alte materii, de exemplu cu matricea rășinilor.
Activitatea de suprafață este un aspect esențial al nanomaterialelor. Aglomerarea și agregarea împiedică contactul suprafeței cu alte materii. Doar particulele bine dispersate sau dispersate individual permit valorificarea întregului potențial benefic al materiei. Ca urmare, o dispersare bună reduce cantitatea de nanomateriale necesară pentru a obține aceleași efecte. Deoarece majoritatea nanomaterialelor sunt încă destul de scumpe, acest aspect are o importanță ridicată pentru comercializarea formulărilor de produse care conțin nanomateriale. În prezent, multe nanomateriale sunt produse printr-un proces uscat. Ca urmare, particulele trebuie amestecate în formulări lichide. În această etapă, majoritatea nanoparticulelor formează aglomerate în timpul umectării. În special nanotuburile de carbon sunt foarte coezive, ceea ce face dificilă dispersarea lor în lichide, cum ar fi apa, etanolul, uleiul, polimerii sau rășina epoxidică. Dispozitivele de procesare convenționale, de exemplu mixerele cu forfecare ridicată sau rotor-stator, omogenizatoarele de înaltă presiune sau morile coloidale și cu discuri, nu reușesc să separe nanoparticulele în particule discrete. În special pentru materia de mici dimensiuni, de la câțiva nanometri până la câțiva microni, cavitația ultrasonică este foarte eficientă în spargerea aglomeratelor, a agregatelor și chiar a particulelor primare. Atunci când ultrasunetele sunt utilizate pentru măcinarea loturilor de concentrație ridicată, fluxurile de jeturi de lichid rezultate din cavitația ultrasonică fac ca particulele să se ciocnească între ele la viteze de până la 1000km/h. Acest lucru rupe forțele van der Waals din aglomerate și chiar din particulele primare.
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersare, emulsionare și extracție la scară de laborator, pilot și industrială.