Поуздано дисперговање наночестица за индустријске примене

Ултразвучна обрада велике снаге може ефикасно и поуздано да разбије агломерате честица, па чак и да дезинтегрише примарне честице. Због високих перформанси дисперговања, ултразвучни уређаји са сондом користе се као пожељна метода за добијање хомогених суспензија наночестица.

Поуздано дисперговање наночестица ултразвуком

Многе индустријске гране захтевају припрему суспензија које садрже наночестице. Наночестице су чврсте материје са величином честица мањом од 100nm. Због изузетно мале величине честица, наночестице испољавају јединствена својства као што су изузетна чврстоћа, тврдоћа, оптичка својства, дуктилност, отпорност на УВ зрачење, проводљивост, електрична и електромагнетна (ЕМ) својства, отпорност на корозију, отпорност на гребање и друге изванредне карактеристике.
Ултразвук високог интензитета и ниске фреквенције ствара интензивну акустичку кавитацију, коју карактеришу екстремни услови као што су смицајне силе, веома велике разлике притиска и температуре и турбуленције. Ове кавитационе силе убрзавају честице, изазивајући међусобне сударе честица и, последично, њихово разбијање. Као резултат тога добијају се наноструктурирани материјали са уском кривом расподеле величине честица и равномерном расподелом.
Опрема за ултразвучно дисперговање погодна је за обраду свих врста наноматеријала у води и органским растварачима, при вискозностима од ниских до веома високих.

Ултразвучно дисперговање угљеничних наноцеви

Ултразвучни диспергатори широко се користе за дисперговање угљеничних наноцеви (CNTs). Соникација је поуздана метода за размрсивање и дисперговање једнозидних угљеничних наноцеви (SWCNTs), као и вишезидних угљеничних наноцеви (MWCNTs). На пример, ради производње високопроводљивог термопластичног полимера, Nanocyl® 3100 високе чистоће (> 95%) (MWCNTs; спољашњи пречник 9,5 nm; чистоћа 95 +%) диспергован је ултразвуком помоћу уређаја Hielscher UP200S током 30min. на собној температури. Ултразвучно дисперговане Nanocyl® 3100 MWCNTs при концентрацији од 1% w/w у епоксидној смоли показале су супериорну проводљивост од приближно 1,5 × 10-2 S /m.

Ултразвучно дисперговање наночестица никла

Наночестице никла могу се успешно произвести синтезом редукцијом хидразином потпомогнутом ултразвуком. Поступак синтезе редукцијом хидразином омогућава припрему сферних наночестица чистог металног никла хемијском редукцијом никл-хлорида хидразином. Истраживачка група Adám показала је да је ултразвучна обрада – уз употребу уређаја Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – могла да одржи просечну величину примарних кристалита (7–8 nm) независно од примењене температуре, док је примена интензивних и краћих периода соникације могла да смањи солводинамичке пречнике секундарних, агрегираних честица са 710 nm на 190 nm без присуства било каквог сурфактанта. Највећа киселост и каталитичка активност измерене су код наночестица припремљених благим (излазна снага 30 W) и континуираним ултразвучним третманом. Каталитичко понашање наночестица испитано је у Suzuki-Miyaura реакцији унакрсног спрезања на пет узорака припремљених конвенционалним и ултразвучним поступцима. Ултразвучно припремљени катализатори обично су показивали боље резултате, а највећа каталитичка активност измерена је код наночестица припремљених континуираном соникацијом мале снаге (30 W).
Ултразвучни третман имао је пресудне ефекте на склоност наночестица ка агрегацији: дефрагментационо дејство разорених кавитационих шупљина, уз интензиван пренос масе, могло је да надвлада привлачне електростатичке и ван дер Валсове силе између честица.
(уп. Adám и сар. 2020)

Ултразвучна синтеза наночестица воластонита

Воластонит је минерал калцијум-иносиликата са хемијском формулом CaSiO3. Воластонит се широко користи као компонента за производњу цемента, стакла, цигле и плочица у грађевинској индустрији, као топитељ при ливењу челика, као и додатак у производњи премаза и боја. На пример, воластонит обезбеђује ојачавање, очвршћавање, ниску апсорпцију уља и друга побољшања. За постизање одличних ојачавајућих својстава воластонита неопходни су деагломерација на наноскали и равномерно дисперговање.
Dordane и Doroodmand (2021) су у својим студијама показали да је ултразвучно дисперговање веома важан фактор који значајно утиче на величину и морфологију наночестица воластонита. Да би проценио допринос соникације нанодисперговању воластонита, истраживачки тим је синтетисао наночестице воластонита са применом и без примене ултразвука велике снаге. За своја испитивања соникације истраживачи су користили ултразвучни процесор UP200H (Hielscher Ultrasonics) на фреквенцији од 24 kHz током 45,0 min. Резултати ултразвучног нанодисперговања приказани су на SEM снимку високе резолуције испод. SEM снимак јасно показује да је узорак воластонита пре ултразвучног третмана агломерисан и агрегиран; након соникације ултразвучним уређајем UP200H просечна величина честица воластонита износи приближно 10nm. Студија показује да је ултразвучно дисперговање поуздана и ефикасна техника за синтезу наночестица воластонита. Просечна величина наночестица може се контролисати подешавањем параметара ултразвучне обраде.
(уп. Dordane и Doroodmand, 2021)

SEM снимци наночестица воластонита (A) пре и (B) после ултразвучне обраде помоћу ултразвучног процесора UP200H током 45,0 min.
Студија и слика: ©Dordane и Doroodmand, 2021.

Ултразвучно дисперговање нанопунила

Соникација је свестрана метода за дисперговање и деагломерацију нанопунила у течностима и суспензијама, нпр. у полимерима, епоксидним смолама, учвршћивачима, термопластима итд. Стога се соникација широко користи као високоефикасна метода дисперговања у истраживању и развоју и индустријској производњи.
Zanghellini и сар. (2021) истраживали су технику ултразвучног дисперговања нанопунила у епоксидној смоли. Показали су да се соникацијом нанопунила могу дисперговати у полимерној матрици и при ниским и при високим концентрацијама.
При поређењу различитих формулација, оксидоване CNT у концентрацији од 0,5 wt% показале су најбоље резултате међу свим соникираним узорцима: расподеле величина већине агломерата биле су у опсегу упоредивом са узорцима добијеним у млину са три ваљка, везивање за учвршћивач било је добро, а унутар дисперзије формирана је перколациона мрежа, што указује на стабилност према седиментацији, а тиме и на одговарајућу дугорочну стабилност. Веће количине пунила показале су слично добре резултате, али и формирање израженијих унутрашњих мрежа, као и нешто већих агломерата. Чак су и угљенична нановлакна (CNF) могла успешно да се диспергују соникацијом. Успешно је остварено директно ултразвучно (US) дисперговање нанопунила у системима учвршћивача без додатних растварача, па се стога оно може сматрати применљивом методом за једноставно и непосредно дисперговање са потенцијалом за индустријску употребу. (уп. Zanghellini и сар., 2021)
 

Поређење различитих нанопунила диспергованих у учвршћивачу (ултразвучна обрада–US): (a) 0,5 wt% угљеничних нановлакана (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% угљеничних наноцеви (CNT); (d) 0,5 wt% делимично диспергованих CNT.
(Студија и слика: © Zanghellini и сар., 2021)

Ултразвучно дисперговање наночестица – научно доказана супериорност

Бројне студије са сложеним истраживањима показују да је ултразвучно дисперговање једна од супериорних техника за деагломерацију и распоређивање наночестица у течностима, чак и при високим концентрацијама. На пример, Vikash (2020) истраживао је дисперговање великих количина нано-силицијум-диоксида у вискозним течностима помоћу ултразвучног диспергатора Hielscher UP400S. У својој студији закључује да се „стабилна и равномерна дисперзија наночестица може постићи помоћу уређаја за ултразвучну обраду при високом садржају чврсте материје у вискозним течностима.“ [Vikash, 2020]

Ултразвучни процесори високих перформанси за дисперговање наночестица

Hielscher Ultrasonics је ваш поуздани добављач поуздане ултразвучне опреме високих перформанси, од лабораторијских и пилот-система до потпуно индустријских система. Уређаје компаније Hielscher Ultrasonics одликују софистициран хардвер, паметан софтвер и изузетна једноставност употребе – пројектовани су и произведени у Немачкој. Робусне ултразвучне машине компаније Hielscher за дисперговање, деагломерацију, синтезу и функционализацију наночестица могу да раде 24/7/365 под пуним оптерећењем. У зависности од вашег процеса и производног погона, наши ултразвучни уређаји могу да раде у шаржном режиму или у континуалном проточном режиму. Разноврсна додатна опрема, као што су сонотроде (ултразвучне сонде), појачивачи амплитуде, проточне ћелије и реактори, лако је доступна.
Контактирајте нас сада да бисте добили више техничких информација, научних студија, протокола и понуду за наше системе за ултразвучно нанодисперговање! Наше добро обучено особље са дугогодишњим искуством радо ће са вама разговарати о вашој примени у области нанотехнологије!

Табела у наставку даје оквирни приказ приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: