Ultraljudsdispergering av nanomaterial (nanopartiklar)
Nanomaterial har blivit en integrerad beståndsdel i så skilda produkter som högpresterande material, solskyddsmedel, funktionella beläggningar och plastkompositer. Ultraljudskavitation används för att dispergera partiklar i nanostorlek i vätskor som vatten, olja, lösningsmedel eller hartser.
Ultraljudsdispergering av nanopartiklar
Användningen av ultraljudsdispergering av nanopartiklar har många olika effekter. Den mest uppenbara är dispergering av material i vätskor för att bryta upp partikelagglomerat. En annan process är användning av ultraljud vid partikelsyntes eller utfällning. I allmänhet leder detta till mindre partiklar och jämnare storleksfördelning. Ultraljudskavitation förbättrar också masstransporten vid partikelytor. Denna effekt kan användas för att förbättra ytfunktionaliseringen hos material med stor specifik yta.
Dispergering och storleksreduktion av nanomaterial
Nanomaterial, t.ex. metalloxider, nanoleror eller kolnanorör tenderar att agglomerera när de blandas i en vätska. Effektiva metoder för deagglomerering och dispergering behövs för att övervinna bindningskrafterna efter vätning av pulvret. Sönderdelning av agglomeratstrukturerna med ultraljud i vattenhaltiga och icke-vattenhaltiga suspensioner gör det möjligt att utnyttja den fulla potentialen hos material i nanostorlek. Undersökningar av olika dispersioner av nanopartikulära agglomerat med varierande fastämneshalt har visat ultraljudets betydande fördel jämfört med andra tekniker, som rotor–statorblandare (t.ex. ultra turrax), kolvhomogenisatorer eller våtmalningsmetoder, t.ex. pärlkvarnar eller kolloidkvarnar. Hielschers ultraljudssystem kan köras vid relativt höga fastämneskoncentrationer. För exempelvis kiseldioxid visade sig sönderdelningshastigheten vara oberoende av fastämneskoncentrationen upp till 50% räknat i vikt. Ultraljud kan användas för dispergering av högkoncentrerade masterbatcher – med bearbetning av vätskor med låg och hög viskositet. Detta gör ultraljud till en bra bearbetningslösning för färger och beläggningar baserade på olika medier, som vatten, harts eller olja.
Ultraljudshomogenisator UP400St för nanodispersioner
Ultraljudskavitation
Dispergering och deagglomerering genom ultraljudsbehandling är ett resultat av ultraljudskavitation. När vätskor utsätts för ultraljud ger ljudvågorna som fortplantas in i vätskan upphov till omväxlande högtrycks- och lågtryckscykler. Detta utsätter attraktionskrafterna mellan de enskilda partiklarna för mekanisk belastning. Ultraljudskavitation i vätskor ger upphov till snabba vätskestrålar med hastigheter på upp till 1000km/hr (cirka 600mph). Sådana strålar pressar in vätska under högt tryck mellan partiklarna och separerar dem från varandra. Mindre partiklar accelereras av vätskestrålarna och kolliderar med höga hastigheter. Detta gör ultraljud till ett effektivt medel för dispergering men också för malning av partiklar i mikrometerstorlek och submikrometerstorlek.
Ultraljudsassisterad partikelsyntes / utfällning
Nanopartiklar kan framställas nedifrån och upp genom syntes eller utfällning. Sonokemi är en av de tidigaste teknikerna som använts för att framställa föreningar i nanostorlek. I sitt ursprungliga arbete ultraljudsbehandlade Suslick Fe(CO)5 antingen som ren vätska eller i en lösning i deaclin och erhöll amorfa järnnanopartiklar med en storlek på 10–20nm. I allmänhet börjar en övermättad blandning bilda fasta partiklar ur ett högkoncentrerat material. Ultraljudsbehandling förbättrar blandningen av prekursorerna och ökar masstransporten vid partikelytan. Detta leder till mindre partikelstorlek och högre enhetlighet.
UIP2000hdT, en ultraljudsapparat med en effekt på 2kW för dispergering av SWCNTs.
Ytfunktionalisering med ultraljud
Många nanomaterial, som metalloxider, bläckstrålebläck och tonerpigment, eller fyllmedel för funktionella beläggningar, kräver ytfunktionalisering. För att funktionalisera hela ytan på varje enskild partikel krävs en bra dispergeringsmetod. När partiklar är dispergerade omges de vanligtvis av ett gränsskikt av molekyler som attraheras till partikelytan. För att nya funktionella grupper ska nå partikelytan måste detta gränsskikt brytas upp eller avlägsnas. Vätskestrålarna som uppstår genom ultraljudskavitation kan nå hastigheter på upp till 1000km/hr. Denna belastning hjälper till att övervinna attraktionskrafterna och transporterar de funktionella molekylerna till partikelytan. Inom sonokemi används denna effekt för att förbättra dispergerade katalysatorers prestanda.
Ultraljudsbehandling före partikelstorleksmätning
Ultraljudsbehandling av prover förbättrar noggrannheten vid mätning av partikelstorlek eller morfologi. Den nya SonoStep kombinerar ultraljud, omrörning och pumpning av prover i en kompakt konstruktion. Den är lätt att använda och kan användas för att mata ultraljudsbehandlade prover till analysinstrument, såsom partikelstorleksanalysatorer. Den intensiva ultraljudsbehandlingen hjälper till att dispergera agglomererade partiklar, vilket ger mer enhetliga resultat.Klicka här för att läsa mer!
Ultraljudsbehandling i laboratorie- och produktionsskala
Ultraljudsprocessorer och flödesceller för deagglomerering och dispergering finns för laboratoriebruk och produktion . Industrisystemen kan enkelt eftermonteras för drift i en processlinje. För forskning och processutveckling rekommenderar vi UIP1000hd (1 000 watt).
Hielscher erbjuder ett brett sortiment av ultraljudsapparater och tillbehör för effektiv dispergering av nanomaterial, t.ex. i färger, tryckfärger och beläggningar.
- Kompakta laboratorieapparater med en effekt på upp till 400 watt.
Dessa apparater används främst för provberedning eller inledande genomförbarhetsstudier och kan hyras. - 500 och 1 000 och 2 000 watt starka ultraljudsprocessorer, såsom UIP1000hd-paketet med flödescell och olika amplitudförstärkare och sonotroder kan behandla större volymflöden.
Sådana apparater används för optimering av parametrar (såsom amplitud, drifttryck, flödeshastighet osv.) i bänkskala eller pilotanläggningsskala. - Ultraljudsprocessorer på 2kW, 4kW, 10kW och 16kW samt större kluster av flera sådana enheter kan behandla produktionsflöden på nästan vilken nivå som helst.
Bänkutrustning kan hyras på förmånliga villkor för processförsök. Resultaten från sådana försök kan skalas upp linjärt till produktionsnivå – vilket minskar riskerna och kostnaderna vid processutveckling. Vi hjälper dig gärna online, per telefon eller personligen. Du hittar våra adresser här, eller så kan du använda formuläret nedan.
Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga behandlingskapacitet:
| Satsvolym | Flödeshastighet | Rekommenderade apparater |
|---|---|---|
| 1 till 500mL | 10 till 200mL/min | UP100H |
| 10 till 2000mL | 20 till 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 till 20L | 0,2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 till 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Nanomaterial – bakgrundsinformation
Nanomaterial är material med en storlek på mindre än 100nm. De får snabbt allt större användning i formuleringar av färger, tryckfärger och beläggningar. Nanomaterial delas in i tre breda kategorier: metalloxider, nanoleror och kolnanorör. Nanopartiklar av metalloxider omfattar zinkoxid, titanoxid, järnoxid, ceriumoxid och zirkoniumoxid i nanoskala samt föreningar med blandade metaller såsom indiumtennoxid och zirkonium och titan samt föreningar med blandade metaller såsom indiumtennoxid. Denna småskaliga materia påverkar många discipliner, såsom fysik, kemi och biologi. I färger och beläggningar fyller nanomaterial dekorativa behov (t.ex. färg och glans) och funktionella syften (t.ex. ledningsförmåga och mikrobiell inaktivering) samt förbättrar färgernas och beläggningarnas skyddande egenskaper (t.ex. reptålighet och UV-stabilitet). Särskilt metalloxider i nanostorlek, såsom TiO2 och ZnO eller aluminiumoxid, ceriumoxid och kiseldioxid och pigment i nanostorlek används i nya färg- och beläggningsformuleringar.
När materia minskas i storlek förändras dess egenskaper, såsom färg och växelverkan med annan materia, till exempel kemisk reaktivitet. Egenskapsförändringen orsakas av förändringen av de elektroniska egenskaperna. Genom minskningen av partikelstorleken, ökar materialets ytarea. Därigenom kan en högre andel av atomerna växelverka med annan materia, t.ex. med hartsmatrisen.
Ytaktivitet är en central aspekt av nanomaterial. Agglomerering och aggregering hindrar ytarea från att komma i kontakt med annan materia. Endast väldispergerade eller individuellt dispergerade partiklar gör det möjligt att utnyttja materiens fulla fördelaktiga potential. God dispergering minskar därför den mängd nanomaterial som behövs för att uppnå samma effekter. Eftersom de flesta nanomaterial fortfarande är ganska dyra är denna aspekt av stor betydelse för kommersialiseringen av produktformuleringar som innehåller nanomaterial. I dag framställs många nanomaterial genom en torr process. Därför måste partiklarna blandas in i flytande formuleringar. Det är då de flesta nanopartiklar bildar agglomerat under vätningen. Särskilt kolnanorör har stark sammanhållning, vilket gör det svårt att dispergera dem i vätskor som vatten, etanol, olja, polymer eller epoxiharts. Konventionell processutrustning, t.ex. blandare med hög skjuvning eller rotor–statorblandare, högtryckshomogenisatorer eller kolloid- och skivkvarnar, förmår inte separera nanopartiklarna till enskilda partiklar. Särskilt för små partiklar från flera nanometer till ett par mikrometer är ultraljudskavitation mycket effektiv för att bryta upp agglomerat, aggregat och till och med primärpartiklar. När ultraljud används för malning av satser med hög koncentration får vätskestrålarna som uppstår genom ultraljudskavitation partiklarna att kollidera med varandra med hastigheter på upp till 1000km/h. Detta bryter van der Waals-krafter i agglomerat och till och med i primärpartiklar.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandningstillämpningar, dispergering, emulgering och extraktion i laboratorie-, pilot- och industriell skala.