Ultrazvočno dispergiranje nanomaterialov (nanodelcev)
Nanomateriali so postali sestavni del tako raznolikih izdelkov, kot so visoko zmogljivi materiali, sredstva za zaščito pred soncem, zmogljivi premazi ali plastični kompoziti. Ultrazvočna kavitacija se uporablja za dispergiranje delcev nanometrskih velikosti v tekočinah, kot so voda, olje, topila ali smole.
Ultrazvočno dispergiranje nanodelcev
Uporaba ultrazvočnega dispergiranja nanodelcev ima številne učinke. Najočitnejši je dispergiranje materialov v tekočinah za razbijanje aglomeratov delcev. Drug postopek je uporaba ultrazvoka med sintezo ali obarjanjem delcev. To na splošno vodi do manjših delcev in večje enakomernosti njihove velikosti. Ultrazvočna kavitacija izboljša tudi prenos snovi na površinah delcev. Ta učinek je mogoče uporabiti za izboljšanje površinske funkcionalizacije materialov z veliko specifično površino.
Dispergiranje in zmanjševanje velikosti nanomaterialov
Nanomateriali, npr. kovinski oksidi, nanogline ali ogljikove nanocevke , se pri vmešavanju v tekočino pogosto aglomerirajo. Učinkovite metode deaglomeracije in dispergiranja so potrebne za premagovanje veznih sil po omočenju prahu. Ultrazvočno razbijanje aglomeratnih struktur v vodnih in nevodnih suspenzijah omogoča izkoriščanje celotnega potenciala materialov nanometrskih velikosti. Raziskave različnih disperzij aglomeratov nanodelcev z različno vsebnostjo trdne snovi so pokazale znatno prednost ultrazvoka v primerjavi z drugimi tehnologijami, kot so mešalniki z rotorjem in statorjem (npr. ultra turrax), batni homogenizatorji ali metode mokrega mletja, npr. kroglični ali koloidni mlini. Ultrazvočni sistemi Hielscher lahko delujejo pri precej visokih koncentracijah trdnih snovi. Na primer pri silicijevem dioksidu je bilo ugotovljeno, da je hitrost razbijanja neodvisna od koncentracije trdne snovi do 50% po masi. Ultrazvok se lahko uporablja za dispergiranje visoko koncentriranih osnovnih mešanic – pri obdelavi tekočin z nizko in visoko viskoznostjo. Zato je ultrazvok dobra rešitev za obdelavo barv in premazov na osnovi različnih medijev, kot so voda, smola ali olje.
Ultrazvočni homogenizator UP400St za nanodisperzije
Ultrazvočna kavitacija
Dispergiranje in deaglomeracija s sonikacijo sta posledica ultrazvočne kavitacije. Ko tekočine izpostavimo ultrazvoku, zvočni valovi, ki se širijo v tekočino, povzročijo izmenjujoče se cikle visokega in nizkega tlaka. S tem mehansko obremenjujejo privlačne sile med posameznimi delci. Ultrazvočna kavitacija v tekočinah povzroča hitre tekočinske curke s hitrostmi do 1000km/hr (pribl. 600mph). Takšni curki pod visokim tlakom potiskajo tekočino med delce in jih ločujejo med seboj. Manjše delce tekočinski curki pospešijo, zato ti trkajo pri visokih hitrostih. Tako je ultrazvok učinkovito sredstvo za dispergiranje, pa tudi za mletje delcev mikrometrskih in submikrometrskih velikosti.
Ultrazvočno podprta sinteza / obarjanje delcev
Nanodelce je mogoče ustvariti s sintezo ali obarjanjem po pristopu od spodaj navzgor. Sonokemija je ena najzgodnejših tehnik, ki so se uporabljale za pripravo spojin nanometrskih velikosti. Suslick je v svojem izvirnem delu sonificiral Fe(CO)5 bodisi kot čisto tekočino bodisi v raztopini deaclin in pridobil amorfne železove nanodelce velikosti 10–20nm. Na splošno se v prenasičeni zmesi začnejo iz visoko koncentriranega materiala tvoriti trdni delci. Sonikacija izboljša mešanje prekurzorjev in poveča prenos snovi na površini delcev. To vodi do manjše velikosti delcev in večje enakomernosti.
UIP2000hdT, zmogljiv ultrazvočni procesor z močjo 2kW za dispergiranje SWCNTs.
Površinska funkcionalizacija z ultrazvokom
Številni nanomateriali, kot so kovinski oksidi, pigmenti za črnila za brizgalni tisk in tonerje ali polnila za zmogljive premaze, zahtevajo površinsko funkcionalizacijo. Za funkcionalizacijo celotne površine vsakega posameznega delca je potrebna dobra metoda dispergiranja. Dispergirane delce običajno obdaja mejna plast molekul, ki jih privlači površina delca. Da bi nove funkcionalne skupine dosegle površino delca, je treba to mejno plast razbiti ali odstraniti. Tekočinski curki, ki nastanejo zaradi ultrazvočne kavitacije, lahko dosežejo hitrosti do 1000km/hr. Ta obremenitev pomaga premagati privlačne sile in prenese funkcionalne molekule na površino delca. V sonokemiji se ta učinek uporablja za izboljšanje učinkovitosti dispergiranih katalizatorjev.
Sonikacija pred merjenjem velikosti delcev
Sonikacija vzorcev izboljša točnost merjenja velikosti ali morfologije delcev. Novi SonoStep združuje ultrazvok, mešanje in črpanje vzorcev v kompaktni izvedbi. Je preprost za uporabo in se lahko uporablja za dovajanje soniciranih vzorcev v analizne naprave, kot so analizatorji velikosti delcev. Intenzivna sonikacija pomaga dispergirati aglomerirane delce, kar omogoča bolj dosledne rezultate. Kliknite tukaj za več informacij!
Ultrazvočna obdelava v laboratorijskem in proizvodnem merilu
Ultrazvočni procesorji in pretočne celice za deaglomeracijo in dispergiranje so na voljo za laboratorijsko in proizvodno raven. Industrijske sisteme je mogoče preprosto naknadno prilagoditi za obdelavo v pretočnem sistemu. Za raziskave in razvoj procesov priporočamo uporabo naprave UIP1000hd (1.000 vatov).
Hielscher ponuja širok izbor ultrazvočnih naprav in dodatne opreme za učinkovito dispergiranje nanomaterialov, npr. v barvah, črnilih in premazih.
- Kompaktne laboratorijske naprave z močjo do 400 vatov.
Te naprave se uporabljajo predvsem za pripravo vzorcev ali začetne študije izvedljivosti in so na voljo za najem. - 500 in 1.000 in 2.000 vatov močni ultrazvočni procesorji, kot je komplet UIP1000hd s pretočno celico ter različnimi ojačevalnimi rogovi in sonotrodami , lahko obdelujejo tokove z večjim volumskim pretokom.
Takšne naprave se uporabljajo za optimizacijo parametrov (kot so amplituda, delovni tlak, pretok itd.) v merilu namiznih naprav ali pilotnih obratov. - Ultrazvočni procesorji z močjo 2kW, 4kW, 10kW in 16kW ter večji sklopi več takšnih enot lahko obdelujejo proizvodne tokove s skoraj poljubnim volumskim pretokom.
Namizna oprema je na voljo za najem pod ugodnimi pogoji za izvajanje procesnih preizkusov. Rezultate takšnih preizkusov je mogoče linearno prenesti na proizvodno raven – s čimer se zmanjšajo tveganje in stroški razvoja procesa. Z veseljem vam bomo pomagali prek spleta, po telefonu ali osebno. Naše naslove najdete tukaj, lahko pa uporabite spodnji obrazec.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih procesorjev:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!
Nanomateriali – osnovne informacije
Nanomateriali so materiali z velikostjo manj kot 100nm. Hitro se uveljavljajo v formulacijah barv, črnil in premazov. Nanomateriali se delijo v tri širše kategorije: kovinski oksidi, nanogline in ogljikove nanocevke. Nanodelci kovinskih oksidov vključujejo cinkov oksid, titanov oksid, železov oksid, cerijev oksid in cirkonijev oksid nanometrskih velikosti ter spojine mešanih kovin, kot so indijev kositrov oksid ter cirkonij in titan, ter spojine mešanih kovin, kot je indijev kositrov oksid. Ta snov majhnih velikosti vpliva na številna področja, kot so fizika, kemija in biologija. V barvah in premazih nanomateriali izpolnjujejo dekorativne zahteve (npr. barva in sijaj), služijo funkcionalnim namenom (npr. prevodnost, inaktivacija mikroorganizmov) ter izboljšujejo zaščitne lastnosti barv in premazov (npr. odpornost proti praskam, UV-stabilnost). Zlasti kovinski oksidi nanometrskih velikosti, kot so TiO2 in ZnO ali aluminijev oksid, cerijev oksid in silicijev dioksid , ter pigmenti nanometrskih velikosti se uporabljajo v novih formulacijah barv in premazov.
Ko se velikost snovi zmanjša, se spremenijo njene lastnosti, kot sta barva in medsebojno delovanje z drugo snovjo, npr. kemijska reaktivnost. Spremembo lastnosti povzroči sprememba elektronskih lastnosti. Z zmanjševanjem velikosti delcev se poveča površina materiala. Zato lahko večji delež atomov medsebojno deluje z drugo snovjo, npr. s smolno matrico.
Površinska aktivnost je ključni vidik nanomaterialov. Aglomeracija in agregacija preprečujeta stik površine z drugo snovjo. Samo dobro dispergirani ali posamično dispergirani delci omogočajo izkoriščanje celotnega koristnega potenciala snovi. Zato dobro dispergiranje zmanjša količino nanomaterialov, potrebnih za doseganje enakih učinkov. Ker je večina nanomaterialov še vedno precej draga, je ta vidik zelo pomemben za komercializacijo formulacij izdelkov, ki vsebujejo nanomateriale. Danes se številni nanomateriali proizvajajo s suhim postopkom. Zato je treba delce vmešati v tekoče formulacije. Pri tem večina nanodelcev med omočenjem tvori aglomerate. Zlasti ogljikove nanocevke so zelo kohezivne, zato jih je težko dispergirati v tekočinah, kot so voda, etanol, olje, polimer ali epoksidna smola. Običajne naprave za obdelavo, npr. mešalniki z visokim strigom ali mešalniki z rotorjem in statorjem, visokotlačni homogenizatorji ali koloidni in kolutni mlini, niso dovolj učinkovite pri ločevanju nanodelcev na posamezne delce. Zlasti pri majhnih delcih velikosti od več nanometrov do nekaj mikrometrov je ultrazvočna kavitacija zelo učinkovita pri razbijanju aglomeratov, agregatov in celo primarnih delcev. Ko se ultrazvok uporablja za mletje visoko koncentriranih šarž, tekočinski curki, ki nastanejo zaradi ultrazvočne kavitacije, povzročijo medsebojne trke delcev pri hitrostih do 1000km/h. S tem se premagajo van der Waalsove sile v aglomeratih in celo v primarnih delcih.
Hielscher Ultrasonics izdeluje visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem merilu.