Nanodiamanter dispergerade i vattenhaltig suspension med ultraljudsbehandling

Nanodiamond dispersioner kan framställas snabbt och effektivt med hjälp av Hielscher sonicators. I vattenhaltig suspension säkerställer ultraljudsdeaggregering tillförlitlig nedbrytning av aggregat och bildandet av stabila kolloider. I kombination med enkel salttillsats för pH-justering ger metoden ett enkelt, billigt och föroreningsfritt tillvägagångssätt. På grund av sin skalbarhet och enkla implementering är ultraljudsdispersion mycket lämplig inte bara för laboratorieforskning utan också för industriell bearbetning av nanodiamond.

Effektiv och föroreningsfri deaggregering av nanodiamond

Nanodiamanter används alltmer inom biomedicin, kvantteknik, tribologi och avancerade kompositer, men deras inneboende tendens att bilda hårda aggregat begränsar ofta prestandan. Att uppnå stabila kolloider av diskreta partiklar är därför en förutsättning för noggrann karakterisering och tillförlitlig tillämpning. Konventionella deaggregeringsmetoder förlitar sig ofta på hårda fräsningstekniker som introducerar zirkoniumoxid eller andra föroreningar, vilket komplicerar rening och begränsar biomedicinsk användning. Ultraljudsdispersion erbjuder ett snabbt, skalbart och föroreningsfritt alternativ. Genom att tillämpa akustisk kavitation i vattenhaltiga medier bryter sonikatorer av sondtyp effektivt ner aggregat till ensiffriga nanodiamanter. I kombination med enkel saltassisterad pH-modulering ger denna metod stabila kolloider över ett brett pH-intervall utan att toxiska biprodukter introduceras, vilket gör den mycket attraktiv för både laboratorieforskning och produktion i industriell skala.

Nanodiamanter kan vara effektiva och tillförlitligt dispergeras med hjälp av Hielscher ultraljudsapparater.

Hur fungerar ultraljudsfräsning och dispersion av nanodiamanter?

Ultraljudsdispersion använder nanodiamanterna själv som malningsmedia. Akustisk kavitation genererad av ultraljudsvågor med hög effekt skapar vätskeströmning med hög hastighet. Dessa vätskeströmmar accelererar partiklarna (t.ex. diamanter) i slurryn så att partiklarna kolliderar med upp till 280 km/s och splittras till små partiklar i nanostorlek. Detta gör ultraljudsfräsning och dispersion en enkel, billig och föroreningsfri teknik, som på ett tillförlitligt sätt deagglomererar nanodiamant till nanostora partiklar stabila i vattenhaltig kolloidal lösning i ett brett pH-område. Salt (natriumklorid) används för att stabilisera nanodiamanterna i en vattenhaltig slurry.
 

 
Läs mer om ultraljudsdeaggregering av nanodiamond för preanalytisk provberedning!
 

Ultraljud Nanodiamond Fräsning Överträffar Bead Mills

Sond-typ ultraljudsapparater är mycket effektiva kvarnar och är en etablerad malningsteknik för storskalig produktion av nanodiamantsuspensioner i industriell skala. Eftersom ultraljudskvarnar använder nanodiamanterna som malningsmedia, undviks helt kontaminering genom malningsmedia, t.ex. från zirkoniapärlor. Istället accelererar ultraljudskavitationskrafter partiklarna så att nanodiamanterna kolliderar våldsamt med varandra och bryts ner till enhetlig nanostorlek. Denna ultraljudsinducerade interpartikelkollision är en mycket effektiv och tillförlitlig metod för produktion av likformigt fördelade nanodispersioner.
Ultraljudsdispersions- och deaggregeringsmetoden använder vattenlösliga, icke-toxiska och icke-förorenande tillsatser såsom natriumklorid eller sackaros för pH-reglering och stabilisering av ultraljudsdispersionen. Dessa kristallstrukturer av natriumklorid eller sackaros fungerar dessutom som malningsmedia och stöder därmed ultraljudsmalningsproceduren. När malningsprocessen är klar kan dessa tillsatser enkelt avlägsnas genom en enkel sköljning med vatten, vilket är en anmärkningsvärd fördel jämfört med keramiska pärlor i processen. Traditionell pärlmalning som attritorer använder olösliga keramiska malningsmedier (t.ex. bollar, pärlor eller pärlor), vars slipade rester förorenar den slutliga dispersionen. Avlägsnande av föroreningar som orsakats av malningsmedia innebär komplex efterbearbetning och är både tidskrävande och kostsamt.

Ultraljudsdispergeringsteknik producerar effektivt vattenhaltiga nanodiamantsuspensioner med smal partikelstorleksfördelning.
(Studie och grafik: ©Turcheniuk et al., 2016)

Exemplariskt protokoll för ultraljud nanodiamantdispersion

Saltassisterad ultraljudsnedbrytning av nanodiamanter i vatten:
En blandning av 10 g natriumklorid och 0,250 g nanodiamantpulver maldes kort för hand med hjälp av en porslinsmortel och mortelstöt och placerades i en 20 ml glasflaska tillsammans med 5 ml DI-vatten. Det förberedda provet sonikerades med hjälp av en ultraljudsapparat av sondtyp i 100 minuter vid 60 % uteffekt och 50 % arbetscykel. Efter ultraljudsbehandling delades provet lika mellan två 50 ml plast Falcon centrifugrör och dispergerades i destillerat vatten upp till 100 ml total volym (2 × 50 ml). Varje prov centrifugerades sedan med en Eppendorf-centrifug 5810-R vid 4000 rpm och 25°C i 10 minuter, och den klara supernatanten kasserades. De våta ND-fällningarna dispergerades sedan på nytt i destillerat vatten (100 ml total volym) och centrifugerades en andra gång vid 12000 rpm och 25 °C i 1 timme. Än en gång kasserades den klara supernatanten och de våta nanodiamantutfällningarna dispergerades på nytt, denna gång i 5 ml destillerat vatten för karakterisering. En standardanalys av AgNO3 visade fullständig frånvaro av Cl⁻ i saltassisterade ultraljudsdeaggregerade nanodiamanter tvättade med destillerat vatten två gånger enligt beskrivningen ovan. Efter avdunstning av vatten från proverna bildades svart fast nanodiamond “pommes frites” observerades med ett utbyte på ~ 200 mg eller 80% av den ursprungliga nanodiamondmassan. (se bild nedan)
(jfr Turcheniuk et al., 2016)

Torkat prov av ultraljudsdispergerade nanodiamanter.
(Studie och grafik: ©Turcheniuk et al., 2016)

Högpresterande ultraljudsapparater för nanodiamantdispersioner

Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudsfräsnings- och dispergeringsutrustning för tunga applikationer som tillverkning av nanodiamantslam, poleringsmedier och nanokompositer. Hielscher ultraljudsapparater används över hela världen för att sprida nanomaterial i vattenhaltiga kolloidala suspensioner, polymerer, hartser, beläggningar och andra högpresterande material.
Hielscher ultraljudsdispergeringsmedel är pålitliga och effektiva vid bearbetning av låga till höga viskositeter. Beroende på de ingående materialen och den eftersträvade slutliga partikelstorleken kan ultraljudsintensiteten justeras exakt för optimala processresultat.
För att kunna bearbeta viskösa pastor, nanomaterial och höga koncentrationer av fasta ämnen måste ultraljudsdispergeringsapparaten kunna producera kontinuerligt höga amplituder. Hielscher Ultraljud’ Industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder i kontinuerlig drift under full belastning. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras i 24/7-drift. Möjligheten att använda en ultraljudsdispergis vid höga amplituder och att justera amplituden exakt är nödvändig för att anpassa ultraljudsprocessförhållandena för optimal formulering av mycket fyllda nano-slurry, nano-förstärkta polymerblandningar och nanokompositer.
Förutom ultraljudsamplituden är tryck en annan mycket viktig processparameter. Under förhöjda tryck intensifieras intensiteten av ultraljudskavitation och dess skjuvkrafter. Hielschers ultraljudsreaktorer kan trycksättas och därigenom få intensifierade ultraljudsbehandlingsresultat.
Processövervakning och dataregistrering är viktiga för kontinuerlig processstandardisering och produktkvalitet. Pluggbara tryck- och temperatursensorer kopplas till ultraljudsgeneratorn för övervakning och styrning av ultraljudsdispersionsprocessen. Alla viktiga bearbetningsparametrar som ultraljudsenergi (netto + totalt), temperatur, tryck och tid protokollas automatiskt och lagras på ett inbyggt SD-kort. Genom att komma åt automatiskt inspelade processdata kan du revidera tidigare ultraljudsbehandling körningar och utvärdera processresultaten.
En annan användarvänlig funktion är webbläsarens fjärrkontroll till våra digitala ultraljudssystem. Via fjärrkontrollen kan du starta, stoppa, justera och övervaka din ultraljudsprocessor på distans var som helst.
Kontakta oss nu för att lära dig mer om våra högpresterande ultraljudshomogenisatorer för malning och nanodispersioner!
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: