Spoľahlivá disperzia nanočastíc pre priemyselné aplikácie

Vysokovýkonná ultrazvuková signalizácia dokáže účinne a spoľahlivo rozbiť aglomeráty častíc a dokonca rozložiť primárne častice. Vďaka svojmu vysokovýkonnému disperznému výkonu sa ultrazvukové prístroje typu sondy používajú ako preferovaná metóda na vytváranie homogénnych suspenzií nanočastíc.

Spoľahlivá disperzia nanočastíc ultrazvukom

Mnohé priemyselné odvetvia vyžadujú prípravu suspenzií, ktoré sú naloženými nanočasticami. Nanočastice sú pevné látky s veľkosťou častíc menšou ako 100 nm. Vďaka malej veľkosti častíc vyjadrujú nanočastice jedinečné vlastnosti, ako je výnimočná pevnosť, tvrdosť, optické vlastnosti, ťažnosť, odolnosť proti UV žiareniu, vodivosť, elektrické a elektromagnetické (EM) vlastnosti, antikoróznosť, odolnosť proti poškriabaniu a ďalšie mimoriadne vlastnosti.
Vysokointenzívny, nízkofrekvenčný ultrazvuk vytvára intenzívnu akustickú kavitáciu, ktorá sa vyznačuje extrémnymi podmienkami, ako sú šmykové sily, veľmi vysoké tlakové a teplotné rozdiely a turbulencie. Tieto kavitačné sily urýchľujú častice, čo spôsobuje zrážky medzi časticami a následne rozbitie častíc. V dôsledku toho sa získajú nanoštruktúrované materiály s úzkou krivkou veľkosti častíc a rovnomernou distribúciou.
Ultrazvukové dispergovacie zariadenie je vhodné na ošetrenie akéhokoľvek druhu nanomateriálov vo vode a organických rozpúšťadlách s nízkou až veľmi vysokou viskozitou.

Ultrazvuková disperzia uhlíkových nanotrubíc

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.

Ultrazvuková disperzia nanočastíc niklu

Nanočastice niklu možno úspešne vyrábať ultrazvukovou syntézou hydrazínovej redukcie. Cesta syntézy hydrazínovej redukcie umožňuje pripraviť čistú kovovú niklovú nanočasticu s guľovitým tvarom chemickou redukciou chloridu nikelnatého hydrazínom. Výskumná skupina Adáma preukázala, že ultrazvuk – Pomocou tlačidla Hielscher UP200HT (200 W, 26 kHz) – bol schopný udržať priemernú veľkosť primárneho kryštalického (7–8 nm) nezávisle od aplikovanej teploty, zatiaľ čo použitie intenzívnych a kratších sonikácií mohlo znížiť solvodynamické priemery sekundárnych, agregovaných častíc zo 710 nm na 190 nm v neprítomnosti akejkoľvek povrchovo aktívnej látky. Najvyššia kyslosť a katalytická aktivita boli namerané pre nanočastice pripravené miernou (výstupný výkon 30 W) a kontinuálnou ultrazvukovou úpravou. Katalytické správanie nanočastíc bolo testované v Suzuki-Miyaurovej krížovej väzbovej reakcii na piatich vzorkách pripravených konvenčným aj ultrazvukovým spôsobom. Ultrazvukom pripravené katalyzátory zvyčajne fungovali lepšie a najvyššia katalytická aktivita bola meraná nad nanočasticami pripravenými pri kontinuálnej sonikacii s nízkym výkonom (30 W).
Ultrazvukové ošetrenie malo zásadný vplyv na agregačnú tendenciu nanočastíc: defragmentačný vplyv zničených kavitačných dutín s intenzívnym prenosom hmoty mohol prekonať príťažlivú elektrostatickú elektrinu zničených kavitačných dutín s intenzívnym prenosom hmoty mohol prekonať príťažlivé elektrostatické a van der Waalsove sily medzi časticami.
(porovnaj Adám a kol. 2020)

Ultrazvuková syntéza wollastonitových nanočastíc

Wollastonit je minerál inosilikátu vápenatého s chemickým vzorcom CaSiO3 Wollastonit je široko používaný ako zložka na výrobu cementu, skla, tehál a dlaždíc v stavebníctve, ako tavidlo pri odlievaní ocele, ako aj prísada pri výrobe náterov a farieb. Napríklad wollastonit poskytuje vystuženie, vytvrdzovanie, nízku absorpciu oleja a ďalšie vylepšenia. Na získanie vynikajúcich výstužných vlastností wollastonitu je nevyhnutná deaglomerácia v nanomeradle a rovnomerná disperzia.
Dordane a Doroodmand (2021) vo svojich štúdiách preukázali, že ultrazvuková disperzia je veľmi dôležitým faktorom, ktorý významne ovplyvňuje veľkosť a morfológiu nanočastíc wollastonitu. Na vyhodnotenie prínosu sonikácie na nano-disperziu wollastonitu výskumný tím syntetizoval nanočastice wollastonitu s aplikáciou vysokovýkonných ultrazvukov a bez nej. Na svoje pokusy so sonikáciou vedci použili ultrazvukový procesor UP200H (Hielscher Ultrasonics) s frekvenciou 24 kHz po dobu 45,0 min. Výsledky ultrazvukovej nanodisperzie sú uvedené v SEM s vysokým rozlíšením nižšie. Obrázok SEM jasne ukazuje, že vzorka wollastonitu pred ultrazvukovým ošetrením je aglomerovaná a agregovaná; po sonikácii ultrazvukom UP200H je priemerná veľkosť častíc wollastonitu cca. 10nm. Štúdia ukazuje, že ultrazvuková disperzia je spoľahlivá a účinná technika na syntézu wollastonitových nanočastíc. Priemernú veľkosť nanočastíc je možné regulovať úpravou parametrov ultrazvukového spracovania.
(porovnaj Dordane a Doroodmand, 2021)

SEM snímky wollastonitových nanočastíc (A) pred a (B) po ultrazvuku pomocou ultrazvukový procesor UP200H po dobu 45,0 min.
Štúdia a obrázok: ©Dordane a Doroodmand, 2021.

Ultrazvuková disperzia nanoplniva

Sonikácia je všestranná metóda na rozptýlenie a deaglomeráciu nanoplnív v kvapalinách a suspenziách, napr. polyméry, epoxidové živice, tvrdidlá, termoplasty atď. Preto je sonifikácia široko používaná ako vysoko účinná disperzná metóda v R&D a priemyselná výroba.
Zanghellini et al. (2021) skúmali ultrazvukovú disperznú techniku pre nanoplnivá v epoxidovej živici. Mohol preukázať, že sonikácia bola schopná rozptýliť malé a vysoké koncentrácie nanoplnív do polymérnej matrice.
Porovnaním rôznych formulácií vykazovala 0,5 % hmotnostného oxidovaná CNT najlepšie výsledky zo všetkých sonikovaných vzoriek, odhaľujúc veľkostné rozloženie väčšiny aglomerátov v porovnateľnom rozsahu s tromi vzorkami vyrobenými valcovou mlynou, dobrú väzbu na tvrdidlo, vytvorenie perkolačnej siete vo vnútri disperzie, ktorá poukazuje na stabilitu proti sedimentácii a tým aj na správnu dlhodobú stabilitu. Vyššie množstvá plniva vykazovali podobne dobré výsledky, ale aj tvorbu výraznejších vnútorných sietí, ako aj o niečo väčších aglomerátov. Dokonca aj uhlíkové nanovlákna (CNF) by sa mohli úspešne rozptýliť pomocou sonikácie. Priama americká disperzia nanoplnív v systémoch tvrdidiel bez ďalších rozpúšťadiel bola úspešne dosiahnutá, a preto ju možno považovať za použiteľnú metódu pre jednoduchú a priamu disperziu s potenciálom pre priemyselné využitie. (porovnaj Zanghellini a kol., 2021)
 

Porovnanie rôznych nanoplnív rozptýlených v tvrdidle (ultrazvuk – USA): a) 0,5 hm. % uhlíkového nanovlákna (CNF); b) 0,5 hm. % CNToxi; c) 0,5 hm. % uhlíkovej nanotrubice (CNT); d) 0,5 hm. % CNT polodispergované.
(Štúdia a obrázok: © Zanghellini a kol., 2021)

Ultrazvuková disperzia nanočastíc – Vedecky dokázaná nadradenosť

Výskum v mnohých sofistikovaných štúdiách ukazuje, že ultrazvuková disperzia je jednou z najlepších techník na deaglomeráciu a distribúciu nanočastíc aj pri vysokej koncentrácii v kvapalinách. Napríklad Vikash (2020) skúmal disperziu vysokého zaťaženia nanooxidom kremičitým vo viskóznych kvapalinách pomocou ultrazvukového dispergátora Hielscher UP400S. Vo svojej štúdii dospel k záveru, že "stabilnú a rovnomernú disperziu nanočastíc možno dosiahnuť pomocou ultrazvukového zariadenia pri vysokom zaťažení pevnými látkami vo viskóznych kvapalinách". [Vikash, 2020]

Vysokovýkonné ultrazvukové procesory pre disperziu nanočastíc

Hielscher Ultrasonics je váš dôveryhodný dodávateľ spoľahlivých vysokovýkonných ultrazvukových zariadení od laboratórnych a pilotných až po plne priemyselné systémy. Hielscher Ultrasonics’ Zariadenia sa vyznačujú sofistikovaným hardvérom, inteligentným softvérom a vynikajúcou užívateľskou prívetivosťou – navrhnuté a vyrobené v Nemecku. Robustné ultrazvukové stroje Hielscher na disperziu, deaglomeráciu, syntézu nanočastíc a funkcionalizáciu je možné prevádzkovať 24/7/365 pri plnom zaťažení. V závislosti od vášho procesu a vášho výrobného zariadenia môžu byť naše ultrazvukové prístroje prevádzkované v dávkovom alebo kontinuálnom in-line režime. Ľahko dostupné je rôzne príslušenstvo, ako sú sonotródy (ultrazvukové sondy), posilňovacie rohy, prietokové články a reaktory.
Kontaktujte nás teraz a získajte ďalšie technické informácie, vedecké štúdie, protokoly a cenovú ponuku na naše ultrazvukové nanodisperzné systémy! Náš dobre vyškolený a dlhoročný personál s vami rád prediskutuje vašu nanoaplikáciu!

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: