Надежное диспергирование наночастиц для промышленного применения

Ультразвук высокой мощности может эффективно и надежно разрушать агломераты частиц и даже разрушать первичные частицы. Благодаря своим высокоэффективным дисперсионным характеристикам, ультразвуковые аппараты зондового типа используются в качестве предпочтительного метода для создания однородных суспензий наночастиц.

Надежное диспергирование наночастиц с помощью ультразвука

Многие отрасли промышленности требуют приготовления суспензий, в которые нагружены наночастицы. Наночастицы — это твердые тела с размером частиц менее 100 нм. Благодаря мельчайшему размеру частиц наночастицы обладают уникальными свойствами, такими как исключительная прочность, твердость, оптические характеристики, пластичность, устойчивость к ультрафиолетовому излучению, проводимость, электрические и электромагнитные (ЭМ) свойства, антикоррозионная стойкость, устойчивость к царапинам и другие исключительные характеристики.
Высокоинтенсивный низкочастотный ультразвук создает интенсивную акустическую кавитацию, которая характеризуется экстремальными условиями, такими как поперечные силы, очень высокие перепады давления и температуры, а также турбулентность. Эти кавитационные силы ускоряют частицы, вызывая столкновения между частицами и, как следствие, разрушение частиц. В результате получаются наноструктурированные материалы с узкой кривой размера частиц и равномерным распределением.
Ультразвуковое диспергирующее оборудование подходит для обработки любых видов наноматериалов в воде и органических растворителях, с низкой и очень высокой вязкостью.

Ультразвуковое диспергирование углеродных нанотрубок

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.

Ультразвуковое диспергирование наночастиц никеля

Наночастицы никеля могут быть успешно получены с помощью синтеза с ультразвуковой ассицированием гидразина. Способ синтеза восстановления гидразина позволяет получать чистые металлические наночастицы никеля сферической формы путем химического восстановления хлорида никеля гидразином. Исследовательская группа из Адама продемонстрировала, что ультразвуковое исследование – Использование метода Hielscher UP200HT (200 Вт, 26 кГц) – был способен поддерживать средний размер первичных кристаллитов (7–8 нм) независимо от приложенной температуры, в то время как использование интенсивных и более коротких периодов ультразвука могло уменьшить сольводинамические диаметры вторичных, агрегированных частиц с 710 нм до 190 нм в отсутствие какого-либо поверхностно-активного вещества. Наибольшая кислотность и каталитическая активность были измерены для наночастиц, полученных путем мягкой (выходная мощность 30 Вт) и непрерывной ультразвуковой обработки. Каталитическое поведение наночастиц было проверено в реакции перекрестного сопряжения Судзуки-Мияура на пяти образцах, полученных как обычным, так и ультразвуковым способами. Катализаторы, подготовленные ультразвуком, обычно показали лучшие результаты, а самая высокая каталитическая активность была измерена по сравнению с наночастицами, полученными при непрерывном ультразвуковом воздействии малой мощности (30 Вт).
Ультразвуковая обработка оказала решающее влияние на тенденцию к агрегации наночастиц: дефрагментационное воздействие разрушенных кавитационных пустот с энергичным массопереносом могло преодолеть притягивающий электростатический эффект разрушенных кавитационных пустот с энергичным массопереносом могло преодолеть притягивающие электростатические и вандерваальсовые силы между частицами.
(ср. Adám et al. 2020)

Ультразвуковой синтез наночастиц волластонита

Волластонит представляет собой минерал иносиликат кальция с химической формулой CaSiO3 Волластонит широко используется в качестве компонента для производства цемента, стекла, кирпича и черепицы в строительной отрасли, в качестве флюса при литье стали, а также в качестве добавки при производстве покрытий и красок. Например, волластонит обеспечивает армирование, упрочнение, низкое маслопоглощение и другие улучшения. Для получения превосходных армирующих свойств волластонита необходимы наноразмерная деагломерация и равномерная дисперсия.
Dordane и Doroodmand (2021) продемонстрировали в своих исследованиях, что ультразвуковая дисперсия является очень важным фактором, который значительно влияет на размер и морфологию наночастиц волластонита. Чтобы оценить вклад ультразвука в нанодисперсию волластонита, исследовательская группа синтезировала наночастицы волластонита с применением ультразвука высокой мощности и без него. Для своих ультразвуковых испытаний исследователи использовали ультразвуковой процессор UP200H (Hielscher Ultrasonics) с частотой 24 кГц в течение 45,0 мин. Результаты ультразвуковой нанодисперсии показаны в СЭМ высокого разрешения ниже. На снимке СЭМ четко видно, что образец волластонита до ультразвуковой обработки агломерируется и агрегируется; после ультразвуковой обработки ультразвуком UP200H средний размер частиц волластонита составляет около 10 нм. Исследование демонстрирует, что ультразвуковое диспергирование является надежным и эффективным методом синтеза наночастиц волластонита. Средний размер наночастиц можно контролировать, регулируя параметры ультразвуковой обработки.
(ср. Dordane and Doroodmand, 2021)

СЭМ-изображения наночастиц волластонита (А) до и (В) после ультразвука с использованием метода ультразвуковой процессор UP200H в течение 45,0 мин.
Этюд и фото: ©Дордан и Дорудманд, 2021.

Ультразвуковая дисперсия нанофиллеров

Ультразвуковая обработка является универсальным методом диспергирования и деагломерации нанонаполнителей в жидкостях и суспензиях, например, полимерах, эпоксидных смолах, отвердителях, термопластах и т.д. Поэтому сонификация широко используется в качестве высокоэффективного метода дисперсии в R&Д и промышленное производство.
Zanghellini et al. (2021) исследовали метод ультразвукового диспергирования нанонаполнителей в эпоксидной смоле. Он смог продемонстрировать, что ультразвуковая обработка способна диспергировать малые и высокие концентрации нанонаполнителей в полимерной матрице.
Сравнивая различные составы, 0,5 мас.% окисленного УНТ показал лучшие результаты среди всех образцов, обработанных ультразвуком, выявив распределение по размерам большинства агломератов в диапазоне, сравнимом с образцами, произведенными на трех валковых станах, хорошее связывание с отвердителем, образование перколяционной сети внутри дисперсии, что указывает на устойчивость к осаждению и, следовательно, надлежащую долгосрочную стабильность. Большее количество наполнителей показало аналогичные хорошие результаты, но также и образование более выраженных внутренних сетей, а также несколько более крупных агломератов. Даже углеродные нановолокна (CNF) могут быть успешно диспергированы с помощью ультразвуковой обработки. Было успешно достигнуто прямое диспергирование нанонаполнителей в системах отвердителя без дополнительных растворителей, и, таким образом, его можно рассматривать как применимый метод для простого и прямого диспергирования с потенциалом промышленного использования. (ср. Zanghellini et al., 2021)
 

Сравнение различных нанонаполнителей, диспергированных в отвердителе (ультразвук — УЗИ): (а) 0,5 мас.% углеродного нановолокна (CNF); b) 0,5 масс.% CNToxi; c) 0,5 мас.% углеродных нанотрубок (УНТ); d) 0,5 мас.% УНТ полудиспергированный.
(Исследование и фото: © Zanghellini et al., 2021)

Ультразвуковое диспергирование наночастиц – Научно доказанное превосходство

Исследования в многочисленных сложных исследованиях показывают, что ультразвуковое диспергирование является одним из лучших методов деагломерации и распределения наночастиц даже при высокой концентрации в жидкостях. Например, Vikash (2020) исследовал диспергирование высоких нагрузок нанокремнезема в вязких жидкостях с помощью ультразвукового диспергатора Hielscher UP400S. В своем исследовании он приходит к выводу, что «стабильное и равномерное диспергирование наночастиц может быть достигнуто с помощью устройства ультраультразвука при высокой твердой нагрузке в вязких жидкостях». [Викаш, 2020]

Высокопроизводительные ультразвуковые процессоры для диспергирования наночастиц

Hielscher Ultrasonics - ваш надежный поставщик надежного высокопроизводительного ультразвукового оборудования от лабораторных и пилотных до полностью промышленных систем. Ультразвуковые технологии Hielscher’ Устройства оснащены сложным аппаратным обеспечением, интеллектуальным программным обеспечением и исключительным удобством использования – разработан и изготовлен в Германии. Надежные ультразвуковые аппараты Hielscher для диспергирования, деагломерации, синтеза наночастиц и функционализации могут работать в режиме 24/7/365 при полной нагрузке. В зависимости от технологического процесса и производственного объекта, наши ультразвуковые аппараты могут работать в периодическом или непрерывном поточном режиме. Различные аксессуары, такие как сонотроды (ультразвуковые зонды), бустерные рупоры, проточные ячейки и реакторы, легко доступны.
Свяжитесь с нами сейчас, чтобы получить дополнительную техническую информацию, научные исследования, протоколы и коммерческое предложение для наших ультразвуковых нанодисперсионных систем! Наш хорошо обученный и многолетний опыт работы сотрудников будет рад обсудить с вами ваше нано-применение!

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: