Наноалмазы, диспергированные в водной суспензии с помощью обработки ультразвуком

Дисперсии наноалмазов можно быстро и эффективно получать с помощью ультразвуковых аппаратов Hielscher. В водной суспензии ультразвуковая деагрегация обеспечивает надежное разрушение агрегатов и образование стабильных коллоидов. В сочетании с простым добавлением соли для регулирования pH этот метод представляет собой простой, недорогой подход, не вносящий загрязнений. Благодаря масштабируемости и простоте реализации ультразвуковое диспергирование прекрасно подходит не только для лабораторных исследований, но и для обработки наноалмазов в промышленном масштабе.

Эффективная деагрегация наноалмазов без внесения загрязнений

Наноалмазы все чаще применяются в биомедицине, квантовых технологиях, трибологии и современных композитах, однако присущая им склонность образовывать прочные агрегаты часто ограничивает их эффективность. Поэтому получение стабильных коллоидов отдельных частиц является необходимым условием точного определения характеристик и надежного применения. Традиционные методы деагрегации часто основаны на жестких методах измельчения, которые вносят диоксид циркония или другие примеси, затрудняя очистку и ограничивая биомедицинское применение. Ультразвуковое диспергирование предлагает быструю, масштабируемую альтернативу без внесения загрязнений. Используя акустическую кавитацию в водных средах, ультразвуковые аппараты зондового типа эффективно разрушают агрегаты до наноалмазов с размерами, выраженными однозначными числами. В сочетании с простым регулированием pH с помощью соли этот метод позволяет получать стабильные коллоиды в широком диапазоне pH без образования токсичных побочных продуктов, что делает его весьма привлекательным как для лабораторных исследований, так и для производства в промышленном масштабе.

Наноалмазы можно эффективно и надежно диспергировать с помощью ультразвуковых аппаратов Hielscher.

Как работают ультразвуковое измельчение и диспергирование наноалмазов?

При ультразвуковом диспергировании в качестве мелющих тел используются сами наноалмазы. Акустическая кавитация, создаваемая ультразвуковыми волнами высокой мощности, вызывает высокоскоростные потоки жидкости. Эти потоки жидкости ускоряют частицы (например, алмазы) в суспензии, в результате чего частицы сталкиваются со скоростью до 280km/s и раскалываются на мельчайшие частицы наноразмера. Это делает ультразвуковое измельчение и диспергирование простой, недорогой технологией без внесения загрязнений, которая надежно деагломерирует наноалмазы до частиц наноразмера, стабильных в водном коллоидном растворе в широком диапазоне pH. Для стабилизации наноалмазов в водной суспензии используется соль (хлорид натрия).
 

 
Узнайте больше об ультразвуковой деагрегации наноалмазов для подготовки образцов перед анализом!
 

Ультразвуковое измельчение наноалмазов превосходит бисерные мельницы

Ультразвуковые аппараты зондового типа являются высокоэффективными мельницами, а их применение представляет собой проверенную технологию измельчения для крупномасштабного производства суспензий наноалмазов в промышленном масштабе. Поскольку ультразвуковые мельницы используют наноалмазы в качестве мелющих тел, загрязнение от мелющих тел, например от бисера из диоксида циркония, полностью исключается. Вместо этого силы ультразвуковой кавитации ускоряют частицы, в результате чего наноалмазы интенсивно сталкиваются друг с другом и разрушаются до одинакового наноразмера. Эти вызванные ультразвуком межчастичные столкновения представляют собой высокоэффективный и надежный метод получения равномерно распределенных нанодисперсий.
Метод ультразвукового диспергирования и деагрегации использует водорастворимые, нетоксичные добавки, не вносящие загрязнений, такие как хлорид натрия или сахароза, для регулирования pH и стабилизации ультразвуковой дисперсии. Эти кристаллические структуры хлорида натрия или сахарозы дополнительно выступают в качестве мелющих тел, тем самым способствуя процессу ультразвукового измельчения. После завершения измельчения эти добавки можно легко удалить простым промыванием водой, что является существенным преимуществом по сравнению с процессом с использованием керамического бисера. При традиционном бисерном измельчении, например в аттриторах, используются нерастворимые керамические мелющие тела (например, шары, бисер или бусины), продукты истирания которых загрязняют конечную дисперсию. Удаление загрязнений, вызванных мелющими телами, требует сложной последующей обработки, занимает много времени и обходится дорого.

Технология ультразвукового диспергирования позволяет эффективно получать водные суспензии наноалмазов с узким распределением частиц по размерам.
(Исследование и графическое изображение: ©Turcheniuk et al., 2016)

Пример протокола ультразвукового диспергирования наноалмазов

Ультразвуковая деагрегация наноалмазов в воде с добавлением соли:
Смесь 10 g хлорида натрия и 0,250 g порошка наноалмазов непродолжительно растирали вручную в фарфоровой ступке пестиком и помещали в стеклянный флакон объемом 20 mL вместе с 5 mL деионизированной воды. Подготовленный образец обрабатывали ультразвуком с помощью ультразвукового аппарата зондового типа в течение 100 min при выходной мощности 60% и коэффициенте заполнения импульсов 50%. После обработки ультразвуком образец поровну распределяли между двумя пластиковыми центрифужными пробирками Falcon объемом 50 mL и диспергировали в дистиллированной воде до общего объема 100 mL (2 × 50 mL). Затем каждый образец центрифугировали на центрифуге Eppendorf 5810-R при 4000 rpm и 25°C в течение 10 min, после чего прозрачную надосадочную жидкость удаляли. Затем влажные осадки наноалмазов (ND) повторно диспергировали в дистиллированной воде (общий объем 100 mL) и центрифугировали второй раз при 12 000 rpm и 25 °C в течение 1 h. Прозрачную надосадочную жидкость снова удаляли, а влажные осадки наноалмазов повторно диспергировали, на этот раз в 5 mL дистиллированной воды, для определения характеристик. Стандартная проба с AgNO3 показала полное отсутствие Cl⁻ в наноалмазах, деагрегированных ультразвуком с добавлением соли и дважды промытых дистиллированной водой, как описано выше. После испарения воды из образцов наблюдалось образование черных твердых наноалмазных «чипсов» с выходом ∼200 mg, или 80% исходной массы наноалмазов. (см. изображение ниже)
(см. Turcheniuk et al., 2016)

Высушенный образец наноалмазов, диспергированных ультразвуком.
(Исследование и графическое изображение: ©Turcheniuk et al., 2016)

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для дисперсий наноалмазов

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и поставляет высокопроизводительное оборудование для ультразвукового измельчения и диспергирования, предназначенное для работы в тяжелых условиях, например для производства суспензий наноалмазов, полировальных сред и нанокомпозитов. Ультразвуковые аппараты Hielscher используются по всему миру для диспергирования наноматериалов в водных коллоидных суспензиях, полимерах, смолах, покрытиях и других высокоэффективных материалах.
Ультразвуковые диспергаторы Hielscher надежны и эффективны при обработке материалов с вязкостью от низкой до высокой. В зависимости от исходных материалов и целевого конечного размера частиц интенсивность ультразвука можно точно регулировать для достижения оптимальных результатов процесса.
Для обработки вязких паст, наноматериалов и материалов с высокой концентрацией твердых веществ ультразвуковой диспергатор должен быть способен непрерывно создавать высокие амплитуды. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics способны обеспечивать очень высокие амплитуды при непрерывной работе под полной нагрузкой. Работа с амплитудами до 200µm легко осуществима в режиме 24/7. Возможность эксплуатации ультразвукового диспергатора при высоких амплитудах и точного регулирования амплитуды необходима для адаптации условий ультразвукового процесса к оптимальным рецептурам высоконаполненных наносуспензий, полимерных смесей, армированных наноматериалами, и нанокомпозитов.
Помимо амплитуды ультразвука, еще одним очень важным параметром процесса является давление. При повышенном давлении интенсивность ультразвуковой кавитации и создаваемые ею силы сдвига усиливаются. Ультразвуковые реакторы Hielscher могут работать под давлением, что позволяет усилить результаты обработки ультразвуком.
Контроль процесса и регистрация данных важны для постоянной стандартизации процесса и обеспечения качества продукции. Подключаемые датчики давления и температуры соединяются с ультразвуковым генератором для контроля и управления процессом ультразвукового диспергирования. Все важные параметры обработки, такие как ультразвуковая энергия (полезная + общая), температура, давление и время, автоматически регистрируются и сохраняются на встроенной SD-карте. Получив доступ к автоматически зарегистрированным данным процесса, вы можете просмотреть предыдущие циклы обработки ультразвуком и оценить результаты процесса.
Еще одна удобная функция – дистанционное управление нашими цифровыми ультразвуковыми системами через браузер. С помощью дистанционного управления через браузер вы можете из любой точки удаленно запускать, останавливать, настраивать и контролировать свой ультразвуковой процессор.
Свяжитесь с нами сейчас, чтобы узнать больше о наших высокопроизводительных ультразвуковых гомогенизаторах для измельчения и получения нанодисперсий!
Приведенная ниже таблица дает представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: