Ultrazvuková dispergácia nanomateriálov (nanočastíc)
Nanomateriály sa stali neoddeliteľnou súčasťou takých rozmanitých výrobkov, ako sú vysokovýkonné materiály, opaľovacie prípravky, vysokofunkčné povlaky či plastové kompozity. Ultrazvuková kavitácia sa používa na dispergáciu častíc s nanometrovými rozmermi do kvapalín, ako sú voda, olej, rozpúšťadlá alebo živice.
Ultrazvuková dispergácia nanočastíc
Použitie ultrazvukovej dispergácie nanočastíc má rozmanité účinky. Najzrejmejším je dispergovanie materiálov v kvapalinách s cieľom rozrušiť aglomeráty častíc. Ďalším postupom je použitie ultrazvuku počas syntézy alebo zrážania častíc. Vo všeobecnosti to vedie k menším časticiam a väčšej rovnomernosti ich veľkosti. Ultrazvuková kavitácia zlepšuje aj prenos látky na povrchoch častíc. Tento účinok možno využiť na zlepšenie povrchovej funkcionalizácie materiálov s veľkým merným povrchom.
Dispergovanie a zmenšovanie veľkosti častíc nanomateriálov
Nanomateriály, napr. oxidy kovov, nanoíly alebo uhlíkové nanorúrky majú pri vmiešaní do kvapaliny tendenciu vytvárať aglomeráty. Účinné prostriedky na deaglomeráciu a dispergovanie sú potrebné na prekonanie väzbových síl po zmáčaní prášku. Ultrazvukové rozrušovanie aglomerátových štruktúr vo vodných a nevodných suspenziách umožňuje využiť plný potenciál materiálov s nanometrovými rozmermi. Výskumy rôznych disperzií aglomerátov nanočastíc s premenlivým obsahom tuhej fázy preukázali značnú výhodu ultrazvuku v porovnaní s inými technológiami, ako sú rotorovo-statorové miešače (napr. ultra turrax), piestové homogenizátory alebo metódy mokrého mletia, napr. guľôčkové či koloidné mlyny. Ultrazvukové systémy Hielscher môžu pracovať pri pomerne vysokých koncentráciách tuhej fázy. Napríklad pre oxid kremičitý sa zistilo, že rýchlosť rozrušovania nezávisí od koncentrácie tuhej fázy až do 50% hmotnostných. Ultrazvuk možno použiť na dispergovanie vysoko koncentrovaných predzmesí – pri spracovaní kvapalín s nízkou aj vysokou viskozitou. Vďaka tomu je ultrazvuk vhodným riešením na spracovanie náterových hmôt a povlakov na báze rôznych médií, ako sú voda, živica alebo olej.
Ultrazvukový homogenizátor UP400St na nanodisperzie
Ultrazvuková kavitácia
Dispergácia a deaglomerácia pôsobením ultrazvuku sú výsledkom ultrazvukovej kavitácie. Pri vystavení kvapalín ultrazvuku vytvárajú zvukové vlny šíriace sa do kvapaliny striedajúce sa vysokotlakové a nízkotlakové cykly. Tým vzniká mechanické namáhanie pôsobiace proti príťažlivým silám medzi jednotlivými časticami. Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách vytvára vysokorýchlostné kvapalinové prúdy s rýchlosťou až 1000km/hr (približne 600mph). Takéto prúdy vtláčajú kvapalinu pod vysokým tlakom medzi častice a oddeľujú ich od seba. Menšie častice sú kvapalinovými prúdmi urýchľované a zrážajú sa pri vysokých rýchlostiach. Vďaka tomu je ultrazvuk účinným prostriedkom na dispergovanie, ale aj na mletie častíc s mikrometrovými a submikrometrovými rozmermi.
Ultrazvukom podporovaná syntéza / zrážanie častíc
Nanočastice možno vytvárať syntézou alebo zrážaním postupom zdola nahor. Sonochémia je jednou z najstarších techník používaných na prípravu zlúčenín s nanometrovými rozmermi. Suslick vo svojej pôvodnej práci pôsobil ultrazvukom na Fe(CO)5 buď vo forme čistej kvapaliny, alebo v roztoku deaclin a získal amorfné nanočastice železa s veľkosťou 10–20nm. Vo všeobecnosti sa v presýtenej zmesi začínajú z vysoko koncentrovaného materiálu tvoriť tuhé častice. Pôsobenie ultrazvuku zlepšuje premiešavanie prekurzorov a zvyšuje prenos látky na povrchu častíc. To vedie k menšej veľkosti častíc a vyššej rovnomernosti.
UIP2000hdT, výkonný ultrazvukový prístroj s výkonom 2kW na dispergovanie SWCNTs.
Povrchová funkcionalizácia pomocou ultrazvuku
Mnohé nanomateriály, ako sú oxidy kovov, atramenty pre atramentovú tlač a tonerové pigmenty alebo plnivá do vysokofunkčných povlakov, vyžadujú funkcionalizáciu povrchu. Na funkcionalizáciu celého povrchu každej jednotlivej častice je potrebná dobrá metóda dispergácie. Po dispergovaní sú častice zvyčajne obklopené hraničnou vrstvou molekúl priťahovaných k povrchu častice. Aby sa nové funkčné skupiny dostali na povrch častice, musí sa táto hraničná vrstva narušiť alebo odstrániť. Prúdy kvapaliny vznikajúce v dôsledku ultrazvukovej kavitácie môžu dosahovať rýchlosti až 1000km/hr. Toto namáhanie pomáha prekonať príťažlivé sily a prenáša funkčné molekuly na povrch častice. V sonochémii sa tento účinok využíva na zlepšenie účinnosti dispergovaných katalyzátorov.
Ultrazvukové spracovanie pred meraním veľkosti častíc
Ultrazvukové spracovanie vzoriek zlepšuje presnosť merania veľkosti alebo morfológie častíc. Nový SonoStep spája ultrazvuk, miešanie a čerpanie vzoriek v kompaktnom vyhotovení. Jednoducho sa obsluhuje a možno ho použiť na privádzanie ultrazvukovo spracovaných vzoriek do analytických prístrojov, ako sú analyzátory veľkosti častíc. Intenzívna sonikácia pomáha dispergovať aglomerované častice, čo vedie ku konzistentnejším výsledkom.Kliknite sem a prečítajte si viac!
Ultrazvukové spracovanie v laboratórnom a výrobnom meradle
Ultrazvukové procesory a prietokové cely na deaglomeráciu a dispergáciu sú dostupné pre laboratórne a výrobné meradlo. Priemyselné systémy možno jednoducho dodatočne upraviť na prevádzku priamo v procesnej linke. Na výskum a vývoj procesov odporúčame používať UIP1000hd (1 000 wattov).
Hielscher ponúka širokú škálu ultrazvukových zariadení a príslušenstva na účinnú dispergáciu nanomateriálov, napr. vo farbách, atramentoch a náteroch.
- Kompaktné laboratórne zariadenia s výkonom až 400 wattov.
Tieto zariadenia sa používajú najmä na prípravu vzoriek alebo počiatočné štúdie uskutočniteľnosti a sú dostupné na prenájom. - 500 a 1 000 a 2 000 wattov majú ultrazvukové procesory, ako je súprava UIP1000hd s prietokovou celou a rôznymi zosilňovačmi amplitúdy a sonotródami , a dokážu spracúvať prúdy s väčším objemom.
Takéto zariadenia sa používajú na optimalizáciu parametrov (ako sú amplitúda, prevádzkový tlak, prietok atď.) v stolovom alebo poloprevádzkovom meradle. - Ultrazvukové procesory s výkonom 2kW, 4kW, 10kW a 16kW a väčšie zostavy viacerých takýchto jednotiek dokážu spracúvať výrobné objemové prúdy takmer v akomkoľvek meradle.
Stolové zariadenia sú dostupné na prenájom za výhodných podmienok na vykonávanie procesných skúšok. Výsledky takýchto skúšok možno lineárne preniesť do výrobného meradla – čím sa znižujú riziká a náklady spojené s vývojom procesu. Radi vám pomôžeme online, telefonicky alebo osobne. Nájdete tu naše adresy, alebo použite formulár nižšie.
Nasledujúca tabuľka uvádza orientačnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukových zariadení:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zostava zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Nanomateriály – základné informácie
Nanomateriály sú materiály s veľkosťou menšou ako 100nm. Rýchlo prenikajú do receptúr farieb, atramentov a náterov. Nanomateriály sa delia do troch širokých kategórií: oxidy kovov, nanoíly a uhlíkové nanorúrky. Nanočastice oxidov kovov zahŕňajú oxid zinočnatý, oxid titánu, oxid železa, oxid céru a oxid zirkónia v nanometrovej veľkosti, ako aj zlúčeniny viacerých kovov, napríklad oxid india a cínu a zirkónium a titán, ako aj zlúčeniny viacerých kovov, napríklad oxid india a cínu. Táto hmota malých rozmerov ovplyvňuje mnohé vedné disciplíny, ako sú fyzika, chémia a biológia. Vo farbách a náteroch nanomateriály spĺňajú dekoratívne požiadavky (napr. farba a lesk), plnia funkčné účely (napr. vodivosť, mikrobiálna inaktivácia) a zlepšujú ochranné vlastnosti farieb a náterov (napr. odolnosť proti poškriabaniu, UV stabilita). V nových receptúrach farieb a náterov nachádzajú uplatnenie najmä oxidy kovov v nanometrovej veľkosti, ako sú TiO2 a ZnO alebo oxid hlinitý, oxid ceričitý a oxid kremičitý a pigmenty s nanometrovými rozmermi nachádzajú uplatnenie v nových formuláciách farieb a náterov.
Pri zmenšovaní rozmerov hmoty sa menia jej vlastnosti, napríklad farba a interakcie s inou hmotou, ako je chemická reaktivita. Zmenu vlastností spôsobuje zmena elektronických vlastností. Zmenšovaním veľkosti častíc sa zväčšuje plocha povrchu materiálu. Vďaka tomu môže väčší podiel atómov interagovať s inou hmotou, napr. so živicovou matricou.
Povrchová aktivita je kľúčovým aspektom nanomateriálov. Aglomerácia a agregácia bránia kontaktu povrchu s inou hmotou. Iba dobre dispergované alebo jednotlivo dispergované častice umožňujú využiť celý prospešný potenciál hmoty. Dobré dispergovanie preto znižuje množstvo nanomateriálov potrebných na dosiahnutie rovnakých účinkov. Keďže väčšina nanomateriálov je stále pomerne drahá, tento aspekt má veľký význam pre komercializáciu produktových formulácií obsahujúcich nanomateriály. V súčasnosti sa mnohé nanomateriály vyrábajú suchým procesom. Častice je preto potrebné vmiešať do kvapalných formulácií. Práve pri tomto zmáčaní vytvára väčšina nanočastíc aglomeráty. Najmä uhlíkové nanorúrky sú veľmi súdržné, čo sťažuje ich dispergovanie v kvapalinách, ako sú voda, etanol, olej, polymér alebo epoxidová živica. Bežné zariadenia na spracovanie, napr. miešače s vysokým šmykom alebo rotorovo-statorové miešače, vysokotlakové homogenizátory či koloidné a kotúčové mlyny, nedokážu dostatočne oddeliť nanočastice na samostatné častice. Najmä pri malých časticiach s rozmermi od niekoľkých nanometrov po pár mikrometrov je ultrazvuková kavitácia veľmi účinná pri rozbíjaní aglomerátov, agregátov a dokonca aj primárnych častíc. Keď sa ultrazvuk používa na mletie vsádzok s vysokou koncentráciou, prúdy kvapaliny vznikajúce pri ultrazvukovej kavitácii spôsobujú vzájomné zrážky častíc pri rýchlostiach až 1000km/h. Tým sa prekonávajú van der Waalsove sily v aglomerátoch a dokonca aj v primárnych časticiach.
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergovanie, emulgovanie a extrakciu v laboratórnom, poloprevádzkovom a priemyselnom meradle.