Dispersie fiabilă a nanoparticulelor pentru aplicații industriale

Ultrasonicarea de mare putere poate sparge eficient și fiabil aglomeratele de particule și chiar poate dezintegra particulele primare. Datorită performanței ridicate de dispersie, ultrasonicatoarele cu sondă sunt utilizate ca metodă preferată pentru obținerea de suspensii omogene de nanoparticule.

Dispersie fiabilă a nanoparticulelor prin ultrasonicare

Multe industrii necesită prepararea de suspensii încărcate cu nanoparticule. Nanoparticulele sunt solide cu o dimensiune a particulelor mai mică de 100nm. Datorită dimensiunii extrem de mici a particulelor, nanoparticulele prezintă proprietăți unice, precum rezistență excepțională, duritate, caracteristici optice, ductilitate, rezistență la UV, conductivitate, proprietăți electrice și electromagnetice (EM), proprietăți anticorozive, rezistență la zgâriere și alte caracteristici extraordinare.
Ultrasunetele de intensitate ridicată și frecvență joasă generează o cavitație acustică intensă, caracterizată prin condiții extreme, precum forțe de forfecare, diferențe foarte mari de presiune și temperatură și turbulențe. Aceste forțe cavitaționale accelerează particulele, provocând coliziuni între particule și, în consecință, fragmentarea particulelor. Prin urmare, se obțin materiale nanostructurate cu o curbă îngustă a dimensiunii particulelor și o distribuție uniformă.
Echipamentele de dispersare cu ultrasunete sunt adecvate pentru tratarea oricărui tip de nanomateriale în apă și în solvenți organici, cu vâscozități de la scăzute la foarte ridicate.

Dispersia cu ultrasunete a nanotuburilor de carbon

Dispersoarele cu ultrasunete sunt utilizate pe scară largă pentru dispersarea nanotuburilor de carbon (CNTs). Sonicarea este o metodă fiabilă pentru descâlcirea și dispersarea nanotuburilor de carbon cu un singur perete (SWCNTs), precum și a nanotuburilor de carbon cu pereți multipli (MWCNTs). De exemplu, pentru a produce un polimer termoplastic cu conductivitate ridicată, nanotuburi Nanocyl® 3100 de înaltă puritate (> 95%) (MWCNTs; diametru exterior 9,5 nm; puritate 95 +%) au fost dispersate cu ultrasunete cu ajutorul Hielscher UP200S timp de 30min. la temperatura camerei. Nanotuburile MWCNTs Nanocyl® 3100 dispersate cu ultrasunete, la o concentrație de 1% w/w în rășina epoxidică, au prezentat o conductivitate superioară de aprox. 1,5 × 10-2 S /m.

Dispersia cu ultrasunete a nanoparticulelor de nichel

Nanoparticulele de nichel pot fi produse cu succes prin sinteza prin reducere cu hidrazină asistată de ultrasunete. Calea de sinteză prin reducere cu hidrazină permite prepararea de nanoparticule de nichel metalic pur, de formă sferică, prin reducerea chimică a clorurii de nichel cu hidrazină. Grupul de cercetare al lui Adám a demonstrat că ultrasonicarea – utilizând Hielscher UP200Ht (200W, 26kHz) – a reușit să mențină o dimensiune medie a cristalitelor primare (7–8 nm) independent de temperatura aplicată, în timp ce utilizarea unor perioade de sonicare intense și mai scurte a putut reduce diametrele solvodinamice ale particulelor secundare, agregate, de la 710 nm la 190 nm, în absența oricărui surfactant. Cea mai ridicată aciditate și activitate catalitică au fost măsurate pentru nanoparticulele preparate printr-un tratament cu ultrasunete blând (putere de ieșire 30 W) și continuu. Comportamentul catalitic al nanoparticulelor a fost testat într-o reacție de cuplare încrucișată Suzuki-Miyaura pe cinci probe preparate atât pe cale convențională, cât și pe cale ultrasonică. Catalizatorii preparați cu ultrasunete au avut, de regulă, performanțe mai bune, iar cea mai ridicată activitate catalitică a fost măsurată pentru nanoparticulele preparate prin sonicare continuă de putere redusă (30 W).
Tratamentul cu ultrasunete a avut efecte esențiale asupra tendinței de agregare a nanoparticulelor: influența de defragmentare a golurilor de cavitație distruse, împreună cu transferul de masă intens, a putut depăși atracția electrostatică a golurilor de cavitație distruse, împreună cu transferul de masă intens, a putut depăși forțele de atracție electrostatice 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, cărămizi și plăci ceramice în industria construcțiilor, ca fondant la turnarea oțelului, precum și ca aditiv în fabricarea acoperirilor și vopselelor. De exemplu, wollastonitul asigură ranforsare, întărire, absorbție scăzută de ulei și alte îmbunătățiri. Pentru a obține proprietăți excelente de ranforsare ale 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 influențează semnificativ dimensiunea și morfologia nanoparticulelor de wollastonit. Pentru a evalua contribuția sonicării la nanodispersia wollastonitului, echipa de cercetare a sintetizat nanoparticule de wollastonit cu și fără aplicarea ultrasunetelor de mare putere. Pentru testele de sonicare, cercetătorii au utilizat procesorul cu ultrasunete UP200H (Hielscher Ultrasonics) cu o frecvență de 24 kHz timp de 45,0 min. Rezultatele nanodispersiei cu ultrasunete sunt prezentate în imaginea SEM de înaltă rezoluție de mai jos. Imaginea SEM arată clar că proba de wollastonit este aglomerată și agregată înainte de tratamentul cu ultrasunete; după sonicarea cu ultrasonicatorul UP200H, dimensiunea medie a particulelor de wollastonit este de aprox. 10nm. Studiul demonstrează că dispersia cu ultrasunete este o tehnică fiabilă și eficientă pentru sintetizarea nanoparticulelor de wollastonit. 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 ultrasonicare utilizând procesorul cu ultrasunete UP200H timp de 45,0 min.
Studiu și imagine: ©Dordane și Doroodmand, 2021.

Dispersia cu ultrasunete a nanomaterialelor de umplutură

Sonicarea este o metodă versatilă pentru dispersarea și dezaglomerarea nanomaterialelor de umplutură în lichide și suspensii dense, de ex. polimeri, rășini epoxidice, întăritori, termoplaste etc. Prin urmare, sonicarea este utilizată pe scară largă ca metodă de dispersie extrem de eficientă în cercetare-dezvoltare și în producția industrială.
Zanghellini et al. (2021) au investigat tehnica de dispersie cu ultrasunete pentru nanomateriale de umplutură în rășină epoxidică. A putut demonstra că sonicarea a reușit să disperseze concentrații mici și mari de nanomateriale de umplutură într-o matrice polimerică.
Comparând diverse formulări, CNT oxidate 0,5 wt% au prezentat cele mai bune rezultate dintre toate probele sonicate, evidențiind distribuții de dimensiune ale majorității aglomeratelor într-un interval comparabil cu cel al probelor produse în moara cu trei cilindri, o bună legare de întăritor și formarea unei rețele de percolare în interiorul dispersiei, ceea ce indică stabilitate împotriva sedimentării și, astfel, o stabilitate adecvată pe termen lung. Cantitățile mai mari de umplutură au prezentat rezultate la fel de bune, dar și formarea unor rețele interne mai pronunțate, precum și aglomerate ceva mai mari. Chiar și nanofibrele de carbon (CNF) au putut fi dispersate cu succes prin sonicare. Dispersia directă cu US a nanomaterialelor de umplutură în sistemele de întăritor, fără solvenți suplimentari, a fost realizată cu succes și poate fi astfel considerată o metodă aplicabilă pentru o dispersie simplă și directă, cu potențial de utilizare industrială. (cf. Zanghellini et al., 2021)

Comparație între diferite nanomateriale de umplutură dispersate în întăritor (ultrasonicare–US): (a) 0,5 wt% nanofibre de carbon (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% nanotuburi de carbon (CNT); (d) 0,5 wt% CNT semidispersate.
(Studiu și imagine: © Zanghellini et al., 2021)

Dispersia cu ultrasunete a nanoparticulelor – superioritate dovedită științific

Cercetarea arată în numeroase studii riguroase că dispersia cu ultrasunete este una dintre tehnicile superioare pentru dezaglomerarea și distribuirea nanoparticulelor chiar și la concentrații ridicate în lichide. De exemplu, Vikash (2020) a investigat dispersia unor încărcături ridicate de nanosilice în lichide vâscoase utilizând dispersorul cu ultrasunete Hielscher UP400S. În studiul său, ajunge la concluzia că „dispersia stabilă și uniformă a nanoparticulelor poate fi obținută utilizând un dispozitiv de ultrasonicare la încărcare ridicată cu solide în lichide vâscoase.” [Vikash, 2020]

Procesoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru dispersia nanoparticulelor

Hielscher Ultrasonics este furnizorul dumneavoastră de încredere pentru echipamente cu ultrasunete fiabile, de înaltă performanță, de la sisteme de laborator și pilot până la sisteme complet industriale. Dispozitivele Hielscher Ultrasonics se remarcă prin hardware sofisticat, software inteligent și o ușurință remarcabilă în utilizare – proiectate și fabricate în Germania. Mașinile robuste cu ultrasunete Hielscher pentru dispersie, dezaglomerare, sinteza și funcționalizarea nanoparticulelor pot fi operate 24/7/365 la sarcină maximă. În funcție de procesul și de instalația dumneavoastră de producție, ultrasonicatoarele noastre pot funcționa în regim discontinuu (batch) sau continuu, în linie. Diverse accesorii, precum sonotrode (sonde cu ultrasunete), boostere de amplitudine, celule de flux și reactoare, sunt disponibile imediat.
Contactați-ne acum pentru a obține mai multe informații tehnice, studii științifice, protocoale și o ofertă de preț pentru sistemele noastre de nanodispersie cu ultrasunete! Personalul nostru bine instruit și cu experiență îndelungată va discuta cu plăcere aplicația dumneavoastră nano!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: