Ультразвуковое диспергирование наноматериалов (наночастиц)

Наноматериалы стали неотъемлемым компонентом столь разнообразных продуктов, как высокоэффективные материалы, солнцезащитные средства, покрытия с высокими эксплуатационными характеристиками и полимерные композиты. Ультразвуковая кавитация используется для диспергирования наноразмерных частиц в жидкостях, таких как вода, масло, растворители или смолы.

Ультразвуковое диспергирование наночастиц

Применение ультразвукового диспергирования наночастиц имеет разнообразные эффекты. Наиболее очевидный из них – диспергирование материалов в жидкостях для разрушения агломератов частиц. Другой процесс – применение ультразвука при синтезе или осаждении частиц. Как правило, это приводит к получению более мелких частиц и повышению однородности их размеров. Ультразвуковая кавитация также улучшает перенос вещества у поверхности частиц. Этот эффект можно использовать для улучшения функционализации поверхности материалов с высокой удельной площадью поверхности.

Диспергирование и уменьшение размера наноматериалов

Наноматериалы, например оксиды металлов, наноглины или углеродные нанотрубки , склонны к агломерации при смешивании с жидкостью. Эффективные средства деагломерации и диспергирования необходимы для преодоления сил сцепления после смачивания порошка. Ультразвуковое разрушение агломератных структур в водных и неводных суспензиях позволяет использовать весь потенциал наноразмерных материалов. Исследования различных дисперсий агломератов наночастиц с разным содержанием твёрдой фазы продемонстрировали значительное преимущество ультразвука по сравнению с другими технологиями, такими как роторно-статорные смесители (например, ultra turrax), поршневые гомогенизаторы или методы мокрого измельчения, например бисерные или коллоидные мельницы. Ультразвуковые системы Hielscher могут работать при довольно высоких концентрациях твёрдой фазы. Например, для диоксида кремния было установлено, что скорость разрушения не зависит от концентрации твёрдой фазы вплоть до 50% по массе. Ультразвук можно применять для диспергирования высококонцентрированных мастербатчей – с обработкой жидкостей низкой и высокой вязкости. Это делает ультразвук эффективным технологическим решением для красок и покрытий на основе различных сред, таких как вода, смола или масло.

Ультразвуковая кавитация

Диспергирование и деагломерация при обработке ультразвуком являются результатом ультразвуковой кавитации. При воздействии ультразвука на жидкости распространяющиеся в них звуковые волны вызывают чередование циклов высокого и низкого давления. Это создаёт механическое напряжение, противодействующее силам притяжения между отдельными частицами. Ультразвуковая кавитация в жидкостях вызывает высокоскоростные струи жидкости со скоростью до 1000km/hr (прибл. 600mph). Такие струи нагнетают жидкость под высоким давлением между частицами и отделяют их друг от друга. Более мелкие частицы ускоряются струями жидкости и сталкиваются на высоких скоростях. Это делает ультразвук эффективным средством не только диспергирования, но и измельчения частиц микронного и субмикронного размера.

Синтез / осаждение частиц при содействии ультразвука

Наночастицы можно получать методом «снизу вверх» посредством синтеза или осаждения. Сонохимия – один из наиболее ранних методов, используемых для получения наноразмерных соединений. Suslick в своей первоначальной работе обрабатывал ультразвуком Fe(CO)₅ как в виде чистой жидкости, так и в растворе deaclin и получал аморфные наночастицы железа размером 10–20nm. Как правило, в пересыщенной смеси из высококонцентрированного вещества начинают образовываться твёрдые частицы. Обработка ультразвуком улучшает смешивание прекурсоров и усиливает массоперенос у поверхности частиц. Это приводит к уменьшению размера частиц и повышению их однородности.

Функционализация поверхности с помощью ультразвука

Многие наноматериалы, такие как оксиды металлов, пигменты чернил для струйной печати и тонеров или наполнители для покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками, требуют функционализации поверхности. Для функционализации всей поверхности каждой отдельной частицы необходим эффективный метод диспергирования. При диспергировании частицы обычно окружены пограничным слоем молекул, притягивающихся к поверхности частиц. Чтобы новые функциональные группы могли достигнуть поверхности частиц, этот пограничный слой необходимо разрушить или удалить. Струи жидкости, возникающие в результате ультразвуковой кавитации, могут достигать скорости до 1000km/hr. Это механическое напряжение помогает преодолеть силы притяжения и переносит функциональные молекулы к поверхности частиц. В сонохимии этот эффект используется для повышения эффективности диспергированных катализаторов.

Обработка ультразвуком перед измерением размера частиц

Обработка образцов ультразвуком повышает точность измерения размера или морфологии частиц. Новый SonoStep объединяет ультразвуковую обработку, перемешивание и перекачивание образцов в компактном устройстве. Он прост в эксплуатации и может использоваться для подачи обработанных ультразвуком образцов в аналитические приборы, например анализаторы размера частиц. Интенсивная обработка ультразвуком помогает диспергировать агломерированные частицы, обеспечивая более воспроизводимые результаты. Нажмите здесь, чтобы узнать больше!

Ультразвуковая обработка в лабораторном и производственном масштабе

Ультразвуковые процессоры и проточные ячейки для деагломерации и диспергирования доступны для работы в лабораторном и производственном масштабе. Промышленные системы можно легко дооснастить для работы в потоке. Для исследований и разработки процессов мы рекомендуем использовать UIP1000hd (1 000 Вт).

Hielscher предлагает широкий ассортимент ультразвуковых устройств и принадлежностей для эффективного диспергирования наноматериалов, например в красках, чернилах и покрытиях.

• Компактные лабораторные устройства мощностью до 400 Вт.
  Эти устройства используются главным образом для подготовки образцов или первоначальных исследований осуществимости процесса и доступны для аренды.
• 500 и 1 000 и 2 000 Вт: ультразвуковые процессоры такой мощности, например комплект UIP1000hd с проточной ячейкой, различными бустерными усилителями и сонотродами , могут обрабатывать потоки большего объёма.
  Такие устройства используются для оптимизации параметров (например, амплитуды, рабочего давления, расхода и т. д.) в масштабе настольных или пилотных установок.
• Ультразвуковые процессоры мощностью 2kW, 4kW, 10kW и 16kW , а также более крупные комплексы из нескольких таких устройств могут обрабатывать производственные потоки практически любого масштаба.

Настольное оборудование доступно для аренды на выгодных условиях для проведения испытаний процесса. Результаты таких испытаний можно линейно масштабировать до производственного уровня – снижая риски и затраты, связанные с разработкой процесса. Мы будем рады помочь вам онлайн, по телефону или лично. Вы найдёте наши адреса здесь или можете воспользоваться формой ниже.

В приведённой ниже таблице указана приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов: