Надёжное диспергирование наночастиц для промышленного применения

Обработка ультразвуком высокой мощности позволяет эффективно и надёжно разрушать агломераты частиц и даже дезинтегрировать первичные частицы. Благодаря высокой эффективности диспергирования ультразвуковые аппараты зондового типа используются в качестве предпочтительного средства получения однородных суспензий наночастиц.

Надёжное диспергирование наночастиц с помощью ультразвука

Во многих отраслях промышленности требуется приготовление суспензий, содержащих наночастицы. Наночастицы представляют собой твёрдые частицы размером менее 100nm. Благодаря чрезвычайно малому размеру наночастицы обладают уникальными свойствами, такими как исключительная прочность, твёрдость, оптические свойства, пластичность, устойчивость к УФ-излучению, проводимость, электрические и электромагнитные (ЭМ) свойства, коррозионная стойкость, устойчивость к царапинам и другие необычайные характеристики.
Высокоинтенсивный низкочастотный ультразвук создаёт интенсивную акустическую кавитацию, для которой характерны экстремальные условия, такие как силы сдвига, очень большие перепады давления и температуры, а также турбулентность. Эти кавитационные силы ускоряют частицы, вызывая столкновения между ними и, как следствие, их дробление. В результате получаются наноструктурированные материалы с узкой кривой распределения частиц по размерам и равномерным распределением.
Оборудование для ультразвукового диспергирования подходит для обработки любых наноматериалов в воде и органических растворителях с вязкостью от низкой до очень высокой.

Ультразвуковое диспергирование углеродных нанотрубок

Ультразвуковые диспергаторы широко используются для диспергирования углеродных нанотрубок (CNT). Обработка ультразвуком является надёжным методом распутывания и диспергирования как одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT), так и многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT). Например, для получения термопластичного полимера с высокой проводимостью высокочистые (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNT; внешний диаметр 9,5 nm; чистота 95 +%) диспергировали ультразвуком с помощью Hielscher UP200S в течение 30min. при комнатной температуре. Диспергированные ультразвуком MWCNT Nanocyl® 3100 при концентрации 1% по массе в эпоксидной смоле продемонстрировали превосходную проводимость, составляющую приблизительно 1,5 × 10-2 S /m.

Ультразвуковое диспергирование наночастиц никеля

Наночастицы никеля можно успешно получать путём синтеза методом гидразинового восстановления при содействии ультразвука. Метод синтеза путём гидразинового восстановления позволяет получать сферические наночастицы чистого металлического никеля посредством химического восстановления хлорида никеля гидразином. Исследовательская группа Adám показала, что обработка ультразвуком – с использованием Hielscher UP200Ht (200W, 26kHz) – позволяла поддерживать средний размер первичных кристаллитов (7–8 nm) независимо от применяемой температуры, тогда как интенсивные и более короткие периоды обработки ультразвуком могли уменьшать сольводинамические диаметры вторичных агрегированных частиц с 710 nm до 190 nm в отсутствие каких-либо поверхностно-активных веществ. Наивысшие кислотность и каталитическая активность были измерены у наночастиц, полученных при мягкой (выходная мощность 30 W) и непрерывной обработке ультразвуком. Каталитические свойства наночастиц испытывали в реакции кросс-сочетания Сузуки–Мияуры на пяти образцах, полученных как традиционным, так и ультразвуковым способом. Катализаторы, полученные с помощью ультразвука, обычно показывали лучшие результаты, а наивысшая каталитическая активность была измерена у наночастиц, полученных при непрерывной обработке ультразвуком низкой мощности (30 W).
Обработка ультразвуком оказывала решающее влияние на склонность наночастиц к агрегации: дефрагментирующее воздействие разрушенных кавитационных полостей при интенсивном массопереносе могло преодолевать электростатическое притяжение разрушенных кавитационных полостей при интенсивном массопереносе, могло преодолевать силы электростатического притяжения и силы Ван-дер-Ваальса между частицами.
(см. Adám et al. 2020)

Ультразвуковой синтез наночастиц волластонита

Волластонит – минерал из группы кальциевых иносиликатов с химической формулой CaSiO3. Волластонит широко используется в качестве компонента при производстве цемента, стекла, кирпича и плитки в строительной промышленности, в качестве флюса при литье стали, а также в качестве добавки при производстве покрытий и красок. Например, волластонит обеспечивает армирование, повышение твёрдости, низкое поглощение масла и другие улучшения. Для получения превосходных армирующих свойств волластонита необходимы деагломерация на наноуровне и равномерное диспергирование.
Dordane и Doroodmand (2021) показали в своих исследованиях, что ультразвуковое диспергирование является очень важным фактором, существенно влияющим на размер и морфологию наночастиц волластонита. Чтобы оценить вклад обработки ультразвуком в нанодиспергирование волластонита, исследовательская группа синтезировала наночастицы волластонита с применением ультразвука высокой мощности и без него. В испытаниях по обработке ультразвуком исследователи использовали ультразвуковой процессор UP200H (Hielscher Ultrasonics) с частотой 24 kHz в течение 45,0 min. Результаты ультразвукового нанодиспергирования показаны ниже на изображении, полученном методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с высоким разрешением. Изображение СЭМ ясно показывает, что до обработки ультразвуком образец волластонита содержит агломераты и агрегаты; после обработки ультразвуковым аппаратом UP200H средний размер частиц волластонита составляет приблизительно 10nm. Исследование демонстрирует, что ультразвуковое диспергирование является надёжным и эффективным методом синтеза наночастиц волластонита. Средний размер наночастиц можно контролировать, регулируя параметры ультразвуковой обработки.
(см. Dordane and Doroodmand, 2021)

Изображения СЭМ наночастиц волластонита (A) до и (B) после обработки ультразвуком с использованием ультразвукового процессора UP200H в течение 45,0 min.
Исследование и изображение: ©Dordane and Doroodmand, 2021.

Ультразвуковое диспергирование нанонаполнителей

Обработка ультразвуком – универсальный метод диспергирования и деагломерации нанонаполнителей в жидкостях и суспензиях, например в полимерах, эпоксидных смолах, отвердителях, термопластах и т. д. Поэтому обработка ультразвуком широко используется как высокоэффективный метод диспергирования в научных исследованиях и разработках, а также в промышленном производстве.
Zanghellini et al. (2021) исследовали метод ультразвукового диспергирования нанонаполнителей в эпоксидной смоле. Он смог показать, что обработка ультразвуком позволяет диспергировать нанонаполнители в полимерной матрице при низких и высоких концентрациях.
При сравнении различных составов окисленные CNT в количестве 0,5 wt% показали лучшие результаты среди всех образцов, обработанных ультразвуком: распределения размеров большинства агломератов находились в диапазоне, сопоставимом с образцами, полученными на трёхвалковой мельнице; наблюдались хорошее связывание с отвердителем и образование перколяционной сети внутри дисперсии, что указывает на устойчивость к седиментации и, следовательно, надлежащую долговременную стабильность. Более высокое содержание наполнителя давало аналогичные хорошие результаты, но также приводило к образованию более выраженных внутренних сетей и несколько более крупных агломератов. Даже углеродные нановолокна (CNF) удалось успешно диспергировать посредством обработки ультразвуком. Было успешно осуществлено прямое ультразвуковое диспергирование нанонаполнителей в системах отвердителей без дополнительных растворителей, поэтому его можно рассматривать как пригодный метод простого и непосредственного диспергирования с потенциалом промышленного применения. (см. Zanghellini et al., 2021)
 

Сравнение различных нанонаполнителей, диспергированных в отвердителе (обработка ультразвуком–US): (a) 0,5 wt% углеродного нановолокна (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% углеродных нанотрубок (CNT); (d) 0,5 wt% частично диспергированных CNT.
(Исследование и изображение: © Zanghellini et al., 2021)

Ультразвуковое диспергирование наночастиц – научно доказанное превосходство

Многочисленные подробные исследования показывают, что ультразвуковое диспергирование является одним из наиболее эффективных методов деагломерации и распределения наночастиц в жидкостях даже при высокой концентрации. Например, Vikash (2020) исследовал диспергирование большого количества наноразмерного диоксида кремния в вязких жидкостях с помощью ультразвукового диспергатора Hielscher UP400S. В своём исследовании он приходит к выводу, что «стабильное и равномерное диспергирование наночастиц при высоком содержании твёрдой фазы в вязких жидкостях может быть достигнуто с помощью устройства для обработки ультразвуком». [Vikash, 2020]

Высокопроизводительные ультразвуковые процессоры для диспергирования наночастиц

Hielscher Ultrasonics – ваш надёжный поставщик надёжного высокопроизводительного ультразвукового оборудования: от лабораторных и пилотных до полномасштабных промышленных систем. Устройства Hielscher Ultrasonics отличаются передовым аппаратным обеспечением, интеллектуальным программным обеспечением и исключительным удобством использования – они разработаны и изготовлены в Германии. Прочные ультразвуковые аппараты Hielscher для диспергирования, деагломерации, синтеза и функционализации наночастиц могут работать 24/7/365 при полной нагрузке. В зависимости от вашего процесса и производственной площадки наши ультразвуковые аппараты могут работать в периодическом или непрерывном поточном режиме. Различные принадлежности, такие как сонотроды (ультразвуковые зонды), бустерные усилители амплитуды, проточные ячейки и реакторы, доступны для поставки.
Свяжитесь с нами сейчас, чтобы получить дополнительную техническую информацию, научные исследования, протоколы и коммерческое предложение на наши системы ультразвукового нанодиспергирования! Наши хорошо подготовленные сотрудники с многолетним опытом будут рады обсудить с вами применение ультразвука для ваших наноматериалов!

В таблице ниже приведена ориентировочная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: