Zanesljiva disperzija nanodelcev za industrijsko uporabo

Ultrazvočno razbijanje z visoko močjo lahko učinkovito in zanesljivo razbije aglomerate delcev in celo razgradi primarne delce. Zaradi svoje visoko zmogljive disperzijske zmogljivosti se ultrazvočni aparati tipa sonde uporabljajo kot prednostna metoda za ustvarjanje homogenih suspenzij nanodelcev.

Zanesljiva disperzija nanodelcev z ultrazvokom

Mnoge industrije zahtevajo pripravo suspenzij, ki so naloženi nanodelci. Nanodelci so trdne snovi z velikostjo delcev manj kot 100 nm. Zaradi majhne velikosti delcev nanodelci izražajo edinstvene lastnosti, kot so izjemna trdnost, trdota, optične lastnosti, duktilnost, UV-odpornost, prevodnost, električne in elektromagnetne (EM) lastnosti, protikorozivnost, odpornost proti praskam in druge izjemne lastnosti.
Visokointenzivni, nizkofrekvenčni ultrazvok ustvarja intenzivno akustično kavitacijo, za katero so značilni ekstremni pogoji, kot so strižne sile, zelo visoke tlakne in temperaturne razlike ter turbulence. Te kavitacijske sile pospešujejo delce, kar povzroča trke med delci in posledično razbijanje delcev. Posledično dobimo nanostrukturirane materiale z ozko krivuljo velikosti delcev in enakomerno porazdelitvijo.
Ultrazvočna disperzijska oprema je primerna za obdelavo vseh vrst nanomaterialov v vodi in organskih topilih z nizko do zelo visoko viskoznostjo.

Ultrazvočna disperzija ogljikovih nanocevk

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.

Ultrazvočna disperzija nikljevih nanodelcev

Nikljevi nanodelci se lahko uspešno proizvajajo z ultrazvočno asistento sintezo redukcije hidrazina. Pot sinteze redukcije hidrazina omogoča pripravo čistih kovinskih nikljevih nanodelcev s sferično obliko s kemično redukcijo nikljevega klorida s hidrazinom. Raziskovalna skupina Adáma je pokazala, da ultrasonication – Z uporabo Hielscher UP200HT (200 W, 26 kHz) – je lahko ohranil povprečno velikost primarnega kristalita (7–8 nm) neodvisno od uporabljene temperature, medtem ko bi uporaba intenzivnih in krajših obdobij ultrazvočnega razbijanja lahko zmanjšala solvodinamične premere sekundarnih, agregiranih delcev s 710 nm na 190 nm v odsotnosti površinsko aktivne snovi. Najvišja kislost in katalitična aktivnost sta bili izmerjeni za nanodelce, pripravljene z blago (30 W izhodne moči) in neprekinjeno ultrazvočno obdelavo. Katalitično obnašanje nanodelcev je bilo preizkušeno v reakciji navzkrižnega spajanja Suzuki-Miyaura na petih vzorcih, pripravljenih na konvencionalni in ultrazvočni način. Ultrazvočno pripravljeni katalizatorji so običajno delovali bolje, najvišja katalitična aktivnost pa je bila izmerjena nad nanodelci, pripravljenimi pod neprekinjeno ultrazvočno razbijanjem z nizko močjo (30 W).
Ultrazvočna obdelava je odločilno vplivala na agregacijsko tendenco nanodelcev: defragmentacijski vpliv uničenih kavitacijskih praznin z močnim prenosom mase bi lahko premagal privlačno elektrostatiko uničenih kavitacijskih praznin z močnim prenosom mase bi lahko premagal privlačne elektrostatične in van der Waalsove sile med delci.
(prim. Adám et al. 2020)

Ultrazvočna sinteza wollastonitnih nanodelcev

Vollastonit je kalcijev inosilikatni mineral s kemijsko formulo CaSiO3 Vollastonit se pogosto uporablja kot sestavina za proizvodnjo cementa, stekla, opeke in ploščic v gradbeništvu, kot fluks pri litju jekla in kot dodatek pri proizvodnji premazov in barv. Na primer, wollastonit zagotavlja ojačitev, utrjevanje, nizko absorpcijo olja in druge izboljšave. Za pridobitev odličnih ojačitvenih lastnosti vollastonita sta bistvenega pomena deaglomeracija v nanomerilu in enakomerna disperzija.
Dordane in Doroodmand (2021) sta v svojih študijah pokazala, da je ultrazvočna disperzija zelo pomemben dejavnik, ki znatno vpliva na velikost in morfologijo wollastonitnih nanodelcev. Da bi ocenili prispevek ultrazvočne razbijanje na nano-disperzijo wollastonita, je raziskovalna skupina sintetizirala nanodelce vollastonita z in brez uporabe ultrazvoka visoke moči. Za svoje poskuse ultrazvočnega razbijanja so raziskovalci uporabili ultrazvočni procesor UP200H (Hielscher Ultrasonics) s frekvenco 24 kHz za 45,0 min. Rezultati ultrazvočne nano-disperzije so prikazani v spodnjem SEM z visoko ločljivostjo. Slika SEM jasno kaže, da je vzorec wollastonita pred ultrazvočno obdelavo aglomeriran in agregiran; po ultrazvočnem razbivanju z ultrazvočnim aparatom UP200H je povprečna velikost delcev vollastonita približno 10 nm. Študija kaže, da je ultrazvočna disperzija zanesljiva in učinkovita tehnika za sintezo nanodelcev vollastonita. Povprečno velikost nanodelcev je mogoče nadzorovati s prilagajanjem parametrov ultrazvočne obdelave.
(prim. Dordane in Doroodmand, 2021)

SEM posnetki wollastonitnih nanodelcev (A) pred in (B) po ultrazvočni razlagi z uporabo ultrazvočni procesor UP200H za 45,0 min.
Študija in slika: ©Dordane in Doroodmand, 2021.

Ultrazvočna disperzija nanopolnila

Sonication je vsestranska metoda za razprševanje in deaglomeracijo nanopolnil v tekočinah in suspenzijah, npr. polimerih, epoksi smolah, trdilcih, termoplastih itd. Zato se sonifikacija pogosto uporablja kot zelo učinkovita disperzijska metoda v R&D in industrijska proizvodnja.
(2021) so raziskali tehniko ultrazvočne disperzije za nanopolnila v epoksidni smoli. Lahko bi pokazal, da je ultrazvočna razbijanje lahko razpršila majhne in visoke koncentracije nanopolnil v polimerno matrico.
Primerjava različnih formulacij je 0,5 mas. % oksidiranega CNT pokazala najboljše rezultate vseh ultrazvočnih vzorcev, ki razkrivajo velikostne porazdelitve večine aglomeratov v primerljivem območju s tremi vzorci, proizvedenimi v valjarni, dobro vezavo na trdilec, tvorbo perkolacijske mreže znotraj disperzije, kar kaže na stabilnost proti sedimentaciji in s tem ustrezno dolgoročno stabilnost. Višje količine polnila so pokazale podobne dobre rezultate, pa tudi nastanek izrazitejših notranjih omrežij in nekoliko večjih aglomeratov. Tudi ogljikova nanovlakna (CNF) bi se lahko uspešno razpršila s ultrazvočnim razbijanjem. Uspešno je bila dosežena neposredna ameriška disperzija nanopolnil v sistemih trdilnikov brez dodatnih topil, zato jo je mogoče obravnavati kot uporabno metodo za enostavno in enostavno disperzijo s potencialom za industrijsko uporabo. (prim. Zanghellini et al., 2021)
 

Primerjava različnih nanopolnil, razpršenih v trdilcu (ultrazvočna obdelava – ZDA): (a) 0,5 mas. % ogljikovih nanovlaken (CNF); (b) 0,5 mas. % CNToxi; (c) 0,5 mas. % ogljikove nanocevke (CNT); (d) 0,5 mas. % CNT delno razpršeno.
(Študija in slika: © Zanghellini et al., 2021)

Ultrazvočna disperzija nanodelcev – Znanstveno dokazana superiornost

Raziskave v številnih sofisticiranih študijah kažejo, da je ultrazvočna disperzija ena od boljših tehnik za deaglomeracijo in distribucijo nanodelcev tudi pri visoki koncentraciji v tekočinah. Na primer, Vikash (2020) je raziskal disperzijo visokih obremenitev nano-silicijevega dioksida v viskoznih tekočinah z uporabo Hielscherjevega ultrazvočnega dispergatorja UP400S. V svoji študiji je prišel do zaključka, da je "stabilno in enakomerno disperzijo nanodelcev mogoče doseči z uporabo ultrazvočne naprave pri visoki obremenitvi trdnih snovi v viskoznih tekočinah." [Vikash, 2020]

Visoko zmogljivi ultrazvočni procesorji za disperzijo nanodelcev

Hielscher Ultrasonics je vaš zaupanja vreden dobavitelj za zanesljivo visoko zmogljivo ultrazvočno opremo od laboratorijskih in pilotnih do polnih industrijskih sistemov. Hielscher Ultrasonics’ Naprave imajo prefinjeno strojno opremo, pametno programsko opremo in izjemno prijaznost do uporabnika – oblikovan in izdelan v Nemčiji. Hielscherjevi robustni ultrazvočni stroji za disperzijo, deaglomeracijo, sintezo nanodelcev in funkcionalizacijo lahko delujejo 24/7/365 pod polno obremenitvijo. Odvisno od vašega procesa in vašega proizvodnega obrata lahko naši ultrazvočni aparati delujejo v šaržnem ali neprekinjenem linijskem načinu. Na voljo so različni dodatki, kot so sonotrode (ultrazvočne sonde), pospeševalni rogovi, pretočne celice in reaktorji.
Kontaktirajte nas zdaj, če želite dobiti več tehničnih informacij, znanstvenih študij, protokolov in ponudbe za naše ultrazvočne nano-disperzijske sisteme! Naše dobro usposobljeno in dolgoletno izkušeno osebje se bo z vami z veseljem pogovorilo o vaši nano-aplikaciji!

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: