Hög effekt ultraljud kan effektivt och tillförlitligt bryta upp partikel agglomerates och även sönderfalla primära partiklar. På grund av dess högpresterande spridning prestanda, sond-typ ultraljudsatorer används som föredragen metod för att skapa homogena nanopartiklar suspensioner.

Tillförlitlig nanopartikel dispersion genom ultraljud

Många industrier kräver förberedelse av suspensioner, som är laddade nanopartiklar. Nanopartiklar är fasta ämnen med en partikelstorlek som är mindre än 100nm. På grund av den minimala partikelstorleken uttrycker nanopartiklar unika egenskaper som exceptionell styrka, hårdhet, optiska egenskaper, duktilitet, UV-resistens, ledningsförmåga, elektriska och elektromagnetiska (EM) egenskaper, antikorrosivitet, reptålighet och andra extraordinära egenskaper.
Högintensivt ultraljud med låg frekvens skapar intensiv akustisk kavitation, som kännetecknas av extrema förhållanden som savkrafter, mycket höga tryck- och temperaturskillnader och turbulenser. Dessa kavitationskrafter accelererar partiklar som orsakar interpartikelkollisioner och därmed splittrar partiklarna. Följaktligen erhålls nanostrukturerade material med en smal partikelstorlekskurva och en enhetlig fördelning.
Ultraljud spridning utrustning är lämplig för att behandla alla typer av nanomaterial i vatten och organiska lösningsmedel, med låg till mycket hög viskositeter.

Ultraljud spridning av kolnanorör

Ultraljud dispersorer används ofta för att sprida kolnanorör (CNTs). Ultraljudsbehandling är en pålitlig metod för att detangle och sprida enkelväggiga kolnanorör (SWCNTs) samt flerväggiga kolnanorör (MWCNTs). För att producera en mycket ledande termoplastisk polymer har till exempel hög renhet (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; ytterdiameter 9,5 nm; renhet 95 +%) ultraljud spridits med Hielscher UP200S i 30min. Ultraljud spridda Nanocyl® 3100 MWCNTs vid en koncentration av 1% w/w i epoxiharts visade överlägsen ledningsförmåga på ca 1,5 × 10-2 S /m.

Ultraljud dispersion av nickel nanopartiklar

Nickel nanopartiklar kan framgångsrikt produceras via ultraljud-assited hydrazin minskning syntes. Den hydrazinreduktionssyntesväg gör det möjligt för tp att förbereda ren metallisk nickelnanopartiklar med sfärisk form genom kemisk reduktion av nickelklorid med hydrazin. Forskargruppen i Adám visade att ultraljudsbehandling – använda Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – kunde bibehålla en genomsnittlig primär kristalllitstorlek (7–8 nm) oberoende av den applicerade temperaturen, medan användningen av intensiva och kortare ultraljudsbehandling perioder kunde minska de solvodynamiska diametrar av sekundära, aggregerade partiklar från 710 nm till 190 nm i avsaknad av något tensid. Den högsta surheten och katalytiska aktiviteten mättes för nanopartiklarna beredda av mild (30 W utgångseffekt) och kontinuerlig ultraljudsbehandling. Nanopartiklarnas katalytiska beteende testades i en Suzuki-Miyaura korskopplingsreaktion över fem prover som framställdes på konventionella såväl som ultraljud sätt. Ultraljud beredda katalysatorer utförs vanligtvis bättre, och den högsta katalytiska aktiviteten mättes över nanopartiklar beredda under låg effekt (30 W) kontinuerlig ultraljudsbehandling.
Ultraljud behandling hade avgörande effekter på aggregering tendensen av nanopartiklar: defragmentering inflytandet av de förstörda kavitation tomrum med den kraftfulla massöverföringen kunde övervinna den attraktiva elektrostatiska av de förstörda kavitation tomrum med kraftfull massöverföring kunde övervinna attraktiva elektrostatiska och van der Waals krafter mellan partiklarna.
(se adám m.fl. 2020)

Ultraljud syntes av Wollastonite Nanopartiklar

Wollastonite är ett kalciumohydral med den kemiska formeln CaSiO3 Wollastonite används ofta som komponent för produktion av cement, glas, tegel och kakel i byggindustrin, som flöde vid gjutning av stål samt en tillsats vid tillverkning av beläggningar och färger. Till exempel ger wollastonit förstärkning, härdning, låg oljeabsorption och andra förbättringar. För att få utmärkta förstärkande egenskaper hos wollastonit är nano-skala deagglomeration och enhetlig spridning avgörande.
Dordane och Doroodmand (2021) visade i sina studier att ultraljud dispersion är en mycket viktig faktor som böjer storleken och morfologin hos wollastonit nanopartiklar avsevärt. För att utvärdera sonicationens bidrag till wollastonit nano-dispersion syntetiserade forskargruppen wollastonitnanopartiklar med och utan tillämpning av högeffekt ultraljud. För sina ultraljudsbehandlingsförsök använde forskarna ultraljud processor UP200H (Hielscher Ultraljud) med en frekvens på 24 kHz i 45,0 min. Resultaten av ultraljud nano-dispersion visas i högupplöstA SEM nedan. SEM bilden visar tydligt att wollastonite provet före ultraljud behandling är agglomerated och aggregeras; Efter ultraljudsbehandling med UP200H ultraljudspumpen är den genomsnittliga storleken på wollastonit partiklar ca 10nm. Studien visar att ultraljud dispersion är en tillförlitlig och effektiv teknik för att syntetisera wollastonite nanopartiklar. Den genomsnittliga nanopartiklar storlek kan styras genom att justera ultraljud bearbetning parametrar.
(se Dordane och Doroodmand, 2021)

SEM-bilder av wollastonitnanopartiklarna (A) före och (B) efter ultraljudsbehandling med hjälp av Ultraljud processor UP200H i 45,0 min.
Studie och bild: ©Dordane och Doroodmand, 2021.

Ultraljud nanofiller dispersion

Ultraljudsbehandling är en mångsidig metod för att sprida och deagglomerate nanofillers i vätskor och slam, t.ex. polymerer, epoxihartser, härdare, termoplaster etc. Därför används sonifiering i stor utsträckning som en mycket effektiv spridningsmetod i R&D och industriell produktion.
Zanghellini et al. (2021) undersökte ultraljud dispersion teknik för nanofillers i epoxi harts. Han kunde visa att ultraljudsbehandling kunde sprida små och höga koncentrationer av nanofillers till en polymer matris.
Genom att jämföra olika formuleringar visade 0,5 wt% oxiderade CNT de bästa resultaten av alla sonikerade prover, avslöjar storleksfördelningar av de flesta agglomeraterna i ett jämförbart intervall med tre rullkvarnsproducerade prover, en bra bindning till härdaren, bildandet av ett perkolationsnätverk inuti dispersionen, vilket pekar mot stabilitet mot sedimentering och därmed en korrekt långsiktig stabilitet. Högre fyllmedelsmängder visade liknande goda resultat, men också bildandet av mer uttalade interna nätverk samt något större agglomerates. Även kol nanofibrer (CNF) kunde spridas framgångsrikt via ultraljudsbehandling. Direkt amerikansk spridning av nanofillers i härdningssystemen utan ytterligare lösningsmedel uppnåddes framgångsrikt, och kan därför ses som en tillämplig metod för en enkel och rak spridning med potential för industriell användning. (se Zanghellini et al., 2021)

Jämförelse av olika nanofillers spridda i härdare med sond-typ ultraljud): a) 0,5 wt% kol nanofiber (CNF); b) 0,5 wt% CNToxid, c) 0,5 wt% kolnanorör (CNT), d) 0,5 wt% CNT halvdisperserad.
Studie och bild: ©Zanghellini et al., 2021

Ultraljudsspridning av nanopartiklar – Vetenskapligt bevisat för överlägsenhet

Forskning visar i många sofistikerade studier att ultraljud dispersion är en av de överlägsna teknikerna för att deagglomerate och distribuera nanopartiklar även vid hög koncentration i vätskor. Till exempel undersökte Vikash (2020) spridningen av höga belastningar av nano-kiseldioxid i viskösa vätskor med Hielscher ultraljud dispersor UP400S. I sin studie kommer han fram till att "den stabila och enhetliga spridningen av nanopartiklar kan uppnås med hjälp av en ultraljudsbehandling enhet vid hög fast belastning i trögflytande vätskor." [Vikash, 2020]

Högpresterande ultraljud processorer för nanopartikel spridning

Hielscher Ultrasonics är din pålitliga leverantör för tillförlitlig högpresterande ultraljudsutrustning från labb och pilot till fullindustriella system. Hielscher ultraljud’ enheter har sofistikerad hårdvara, smart programvara och enastående användarvänlighet – konstruerades och tillverkas i Tyskland. Hielschers robusta ultraljud maskiner för spridning, deagglomeration, nanopartiklar syntes och funktionalisering kan drivas 24/7/365 under full belastning. Beroende på din process och din produktionsanläggning kan våra ultraljudspumpar köras i batch- eller kontinuerligt in-line-läge. Olika tillbehör som sonotrodes (ultraljud sonder), booster horn, flödesceller och reaktorer är lätt tillgängliga.
Kontakta oss nu för att få mer teknisk information, vetenskapliga studier, protokoll och offert för våra ultraljud nano-dispersion system! Vår välutbildade, sedan länge erfarna personal diskuterar gärna din nanoapplikation med dig!

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera: