Dispersie fiabilă a nanoparticulelor pentru aplicații industriale

Ultrasonication de mare putere poate rupe eficient și fiabil aglomerate de particule și chiar dezintegra particule primare. Datorită performanței sale de dispersie de înaltă performanță, ultrasonicators de tip sondă sunt utilizate ca metodă preferată pentru a crea suspensii omogene de nanoparticule.

Dispersie nanoparticulelor fiabilă prin ultrasonication

Multe industrii necesită prepararea suspensiilor, care sunt nanoparticule încărcate. Nanoparticulele sunt solide cu o dimensiune a particulelor mai mică de 100nm. Datorită dimensiunii particulelor minuscule, nanoparticulele exprimă proprietăți unice, cum ar fi rezistența excepțională, duritatea, caracteristicile optice, ductilitatea, rezistența la UV, conductivitatea, proprietățile electrice și electromagnetice (EM), anticorozivitatea, rezistența la zgârieturi și alte caracteristici extraordinare.
Ultrasunetele de înaltă intensitate, de joasă frecvență, creează cavitație acustică intensă, caracterizată prin condiții extreme, cum ar fi forțele de forfecare, diferențele foarte mari de presiune și temperatură și turbulențele. Aceste forțe cavitaționale accelerează particulele, provocând coliziuni între particule și, în consecință, spargerea particulelor. În consecință, se obțin materiale nanostructurate cu o curbă îngustă a dimensiunii particulelor și o distribuție uniformă.
Echipamentul de dispersie cu ultrasunete este potrivit pentru tratarea oricărui tip de nanomateriale în apă și solvenți organici, cu vâscozități scăzute până la foarte mari.

Dispersia cu ultrasunete a nanotuburilor de carbon

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.

Dispersia cu ultrasunete a nanoparticulelor de nichel

Nanoparticulele de nichel pot fi produse cu succes prin sinteza de reducere a hidrazinei. Calea de sinteză a reducerii hidrazinei permite tp să pregătească nanoparticule metalice pure de nichel cu formă sferică prin reducerea chimică a clorurii de nichel cu hidrazină. Grupul de cercetare din Adám a demonstrat că ultrasonication – Utilizarea butonului Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – a fost capabil să mențină o dimensiune medie a cristalitului primar (7-8 nm) independent de temperatura aplicată, în timp ce utilizarea perioadelor intense și mai scurte de sonicare ar putea reduce diametrele solvodinamice ale particulelor secundare, agregate de la 710 nm la 190 nm în absența oricărui agent tensioactiv. Cea mai mare aciditate și cea mai mare activitate catalitică au fost măsurate pentru nanoparticulele preparate prin tratament cu ultrasunete ușor (30 W) și continuu. Comportamentul catalitic al nanoparticulelor a fost testat într-o reacție de cuplare încrucișată Suzuki-Miyaura pe cinci probe preparate atât în mod convențional, cât și în mod ultrasonic. Catalizatorii pregătiți ultrasonically au funcționat de obicei mai bine, iar cea mai mare activitate catalitică a fost măsurată pe nanoparticulele preparate sub sonicare continuă cu putere redusă (30 W).
Tratamentul cu ultrasunete a avut efecte cruciale asupra tendinței de agregare a nanoparticulelor: influența de defragmentare a golurilor de cavitație distruse cu transferul viguros de masă ar putea depăși electrostatica atractivă a golurilor de cavitație distruse cu transferul viguros de masă ar putea depăși forțele electrostatice atractive și van der Waals dintre particule.
(cf. Adám et al. 2020)

Sinteza cu ultrasunete a nanoparticulelor de wollastonit

Wollastonitul este un mineral inosilicat de calciu cu formula chimică CaSiO3 Wollastonitul este utilizat pe scară largă ca componentă pentru producția de ciment, sticlă, cărămidă și țiglă în industria construcțiilor, ca flux în turnarea oțelului, precum și ca aditiv în fabricarea acoperirilor și vopselelor. De exemplu, wollastonitul oferă armare, întărire, absorbție scăzută a uleiului și alte îmbunătățiri. Pentru a obține proprietăți excelente de armare a wollastonitului, dezaglomerarea la scară nanometrică și dispersia uniformă sunt esențiale.
Dordane și Doroodmand (2021) au demonstrat în studiile lor că dispersia cu ultrasunete este un factor foarte important care infliuence dimensiunea și morfologia nanoparticulelor de wollastonite în mod semnificativ. Pentru a evalua contribuția sonicare pe wollastonite nano-dispersie, echipa de cercetare sintetizat nanoparticule de wollastonit cu și fără aplicarea de ultrasunete de mare putere. Pentru studiile lor sonicare, cercetătorii au folosit procesor cu ultrasunete UP200H (Hielscher Ultrasonics) cu o frecvență de 24 kHz timp de 45,0 min. Rezultatele nano-dispersiei cu ultrasunete sunt prezentate în SEM de înaltă rezoluție de mai jos. Imaginea SEM arată clar că proba de wollastonit înainte de tratamentul cu ultrasunete este aglomerată și agregată; după sonicare cu ultrasonicator UP200H dimensiunea medie a particulelor de wollastonite este de aproximativ 10nm. Studiul demonstrează că dispersia cu ultrasunete este o tehnică fiabilă și eficientă pentru a sintetiza nanoparticule de wollastonite. Dimensiunea medie a nanoparticulelor poate fi controlată prin ajustarea parametrilor de procesare cu ultrasunete.
(cf. Dordane și Doroodmand, 2021)

Imagini SEM ale nanoparticulelor de wollastonit (A) înainte și (B) după ultrasonication folosind procesor ultrasonic UP200H timp de 45,0 min.
Studiu și imagine: ©Dordane și Doroodmand, 2021.

Dispersie nanofiller cu ultrasunete

Sonicare este o metodă versatilă de dispersare și dezaglomerare nanofillere în lichide și suspensii, de exemplu polimeri, rășini epoxidice, întăritori, termoplastice etc. Prin urmare, sonificarea este utilizată pe scară largă ca metodă de dispersie extrem de eficientă în R&D și producția industrială.
Zanghellini et al. (2021) a investigat tehnica de dispersie cu ultrasunete pentru nanofillere în rășină epoxidică. El ar putea demonstra că sonicare a fost capabil să disperseze concentrații mici și mari de nanofillere într-o matrice polimerică.
Comparând diferite formulări, CNT oxidat 0,5% wt% a arătat cele mai bune rezultate ale tuturor probelor sonicate, dezvăluind distribuțiile dimensionale ale majorității aglomeratelor într-un interval comparabil cu trei probe produse de mori de role, o bună legare la întăritor, formarea unei rețele de percolare în interiorul dispersiei, care indică stabilitatea împotriva sedimentării și, astfel, o stabilitate adecvată pe termen lung. Cantități mai mari de umplutură au arătat rezultate bune similare, dar și formarea unor rețele interne mai pronunțate, precum și a unor aglomerate ceva mai mari. Chiar și nanofibrele de carbon (CNF) ar putea fi dispersate cu succes prin sonicare. Dispersia directă în SUA a nanofillerelor în sistemele de întăritori fără solvenți suplimentari a fost realizată cu succes și, prin urmare, poate fi considerată o metodă aplicabilă pentru o dispersie simplă și directă, cu potențial de utilizare industrială. (cf. Zanghellini și colab., 2021)
 

Compararea diferitelor nanofillere dispersate în întăritor (ultrasonication-SUA): (a) 0,5 wt% nanofibră de carbon (CNF); (b) 0,5 % în greutate CNToxi; (c) 0,5 % în greutate nanotub de carbon (CNT); (d) 0,5% în greutate CNT semidispersat.
(Studiu și imagine: © Zanghellini și colab., 2021)

Dispersia cu ultrasunete a nanoparticulelor – Dovedit științific pentru superioritate

Cercetările arată în numeroase studii sofisticate că dispersia cu ultrasunete este una dintre tehnicile superioare de deaglomerare și distribuire a nanoparticulelor chiar și la concentrație ridicată în lichide. De exemplu, Vikash (2020) a investigat dispersia încărcăturilor mari de nano-silice în lichide vâscoase folosind dispersorul cu ultrasunete Hielscher UP400S. În studiul său, el ajunge la concluzia că "dispersia stabilă și uniformă a nanoparticulelor poate fi realizată folosind un dispozitiv ultra-sonicare la încărcare solidă mare în lichide vâscoase". [Vikash, 2020]

Procesoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru dispersia nanoparticulelor

Hielscher Ultrasonics este furnizorul dumneavoastră de încredere pentru echipamente fiabile cu ultrasunete de înaltă performanță de la laborator și pilot la sisteme full-industriale. Hielscher Ultrasonics’ Dispozitivele dispun de hardware sofisticat, software inteligent și ușurință remarcabilă în utilizare – proiectat și fabricat în Germania. Hielscher mașini robuste cu ultrasunete pentru dispersie, dezaglomerare, sinteza nanoparticulelor și funcționalizare pot fi operate 24/7/365 sub sarcină maximă. În funcție de procesul și facilitatea de producție, ultrasonicators noastre pot fi rulate în lot sau continuu în modul in-line. Diverse accesorii, ar fi sonotrodes (sonde cu ultrasunete), coarne de rapel, celule de flux și reactoare sunt ușor disponibile.
Contactați-ne acum pentru a obține mai multe informații tehnice, studii științifice, protocoale și o ofertă pentru sistemele noastre de nano-dispersie cu ultrasunete! Personalul nostru bine instruit și cu experiență îndelungată va fi bucuros să discute nano-aplicația cu dvs.!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: