Tillförlitlig dispergering av nanopartiklar för industriella tillämpningar

Ultraljudsbehandling med hög effekt kan effektivt och tillförlitligt bryta upp partikelagglomerat och till och med sönderdela primärpartiklar. Tack vare sin höga dispergeringsprestanda används ultraljudsapparater av sondtyp som föredragen metod för att skapa homogena nanopartikelsuspensioner.

Tillförlitlig dispergering av nanopartiklar med ultraljudsbehandling

Många industrier behöver framställa suspensioner som innehåller nanopartiklar. Nanopartiklar är fasta partiklar med en partikelstorlek på mindre än 100nm. På grund av den ytterst lilla partikelstorleken uppvisar nanopartiklar unika egenskaper såsom exceptionell hållfasthet, hårdhet, optiska egenskaper, duktilitet, UV-beständighet, ledningsförmåga, elektriska och elektromagnetiska (EM) egenskaper, korrosionsbeständighet, reptålighet och andra extraordinära egenskaper.
Högintensivt, lågfrekvent ultraljud skapar intensiv akustisk kavitation som kännetecknas av extrema förhållanden såsom skjuvkrafter, mycket stora tryck- och temperaturskillnader samt turbulens. Dessa kavitationskrafter accelererar partiklarna och orsakar kollisioner mellan dem, vilket i sin tur får partiklarna att splittras. Därigenom erhålls nanostrukturerade material med en smal partikelstorlekskurva och en jämn fördelning.
Utrustning för ultraljudsdispergering lämpar sig för behandling av alla typer av nanomaterial i vatten och organiska lösningsmedel, med låga till mycket höga viskositeter.

Ultraljudsdispergering av kolnanorör

Ultraljudsdispergerare används i stor utsträckning för att dispergera kolnanorör (CNT). Ultraljudsbehandling är en tillförlitlig metod för att reda ut och dispergera såväl enkelväggiga kolnanorör (SWCNT) som flerväggiga kolnanorör (MWCNT). För att exempelvis framställa en termoplastisk polymer med hög ledningsförmåga har högrena (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNT; ytterdiameter 9,5 nm; renhet 95 +%) dispergerats med ultraljud med Hielscher UP200S i 30min. vid rumstemperatur. De ultraljudsdispergerade Nanocyl® 3100 MWCNT uppvisade vid en koncentration på 1% w/w i epoxihartset en överlägsen ledningsförmåga på cirka 1,5 × 10-2 S /m.

Ultraljudsdispergering av nickelnanopartiklar

Nickelnanopartiklar kan framgångsrikt framställas genom ultraljudsassisterad syntes med hydrazinreduktion. Syntesvägen med hydrazinreduktion gör det möjligt att framställa rena metalliska nickelnanopartiklar med sfärisk form genom kemisk reduktion av nickelklorid med hydrazin. Adáms forskargrupp visade att ultraljudsbehandling – med hjälp av Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – kunde bibehålla en genomsnittlig primär kristallitstorlek (7–8 nm) oberoende av den använda temperaturen, medan intensiva och kortare ultraljudsbehandlingsperioder kunde minska de solvodynamiska diametrarna hos de sekundära, aggregerade partiklarna från 710 nm till 190 nm utan något ytaktivt ämne. Den högsta surheten och katalytiska aktiviteten uppmättes för de nanopartiklar som framställts med mild (30 W uteffekt) och kontinuerlig ultraljudsbehandling. Nanopartiklarnas katalytiska beteende testades i en Suzuki-Miyaura-korskopplingsreaktion med fem prover framställda med såväl konventionella metoder som ultraljudsmetoder. De ultraljudsframställda katalysatorerna presterade vanligtvis bättre, och den högsta katalytiska aktiviteten uppmättes för de nanopartiklar som framställts med kontinuerlig ultraljudsbehandling vid låg effekt (30 W).
Ultraljudsbehandlingen hade avgörande effekter på nanopartiklarnas tendens att aggregera: den defragmenterande inverkan från de kollapsade kavitationshålrummen tillsammans med den kraftiga masstransporten kunde övervinna de attraktiva elektrostatiska från de kollapsade kavitationshålrummen tillsammans med den kraftiga masstransporten kunde övervinna de attraktiva elektrostatiska krafterna och van der Waals-krafterna mellan partiklarna.
(jfr Adám et al. 2020)

Ultraljudssyntes av wollastonitnanopartiklar

Wollastonit är ett kalciuminosilikatmineral med den kemiska formeln CaSiO3. Wollastonit används i stor utsträckning som komponent vid tillverkning av cement, glas, tegel och kakel inom byggindustrin, som flussmedel vid stålgjutning samt som tillsats vid tillverkning av beläggningar och färger. Wollastonit ger exempelvis förstärkning, härdning, låg oljeabsorption och andra förbättringar. För att uppnå utmärkta förstärkande egenskaper hos wollastonit är deagglomerering på nanoskala och jämn dispergering avgörande.
Dordane och Doroodmand (2021) visade i sina studier att ultraljudsdispergering är en mycket viktig faktor som i betydande grad påverkar wollastonitnanopartiklarnas storlek och morfologi. För att utvärdera ultraljudsbehandlingens bidrag till nanodispergering av wollastonit syntetiserade forskargruppen wollastonitnanopartiklar med och utan användning av högeffektultraljud. För sina ultraljudsbehandlingsförsök använde forskarna ultraljudsprocessorn UP200H (Hielscher Ultrasonics) med en frekvens på 24 kHz under 45,0 min. Resultaten av nanodispergeringen med ultraljud visas i den högupplösta SEM-bilden nedan. SEM-bilden visar tydligt att wollastonitprovet före ultraljudsbehandlingen är agglomererat och aggregerat; efter behandlingen med ultraljudsapparaten UP200H är wollastonitpartiklarnas genomsnittliga storlek cirka 10nm. Studien visar att ultraljudsdispergering är en tillförlitlig och effektiv teknik för att syntetisera wollastonitnanopartiklar. Den genomsnittliga nanopartikelstorleken kan styras genom att justera parametrarna för ultraljudsbehandlingen.
(jfr Dordane och Doroodmand, 2021)

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

Ultraljudsdispergering av nanofyllmedel

Ultraljudsbehandling är en mångsidig metod för att dispergera och deagglomerera nanofyllmedel i vätskor och slurryer, t.ex. polymerer, epoxihartser, härdare, termoplaster osv. Därför används ultraljudsbehandling i stor utsträckning som en mycket effektiv dispergeringsmetod inom forskning och utveckling samt industriell produktion.
Zanghellini et al. (2021) undersökte ultraljudsdispergering av nanofyllmedel i epoxiharts. Man kunde visa att ultraljudsbehandling kunde dispergera nanofyllmedel i låga och höga koncentrationer i en polymermatris.
Vid jämförelse av olika formuleringar gav 0,5 wt% oxiderade CNT de bästa resultaten av alla ultraljudsbehandlade prover. Storleksfördelningarna för de flesta agglomeraten låg inom ett jämförbart intervall med prover framställda med trevalskvarn, bindningen till härdaren var god och ett perkolationsnätverk bildades i dispersionen, vilket tyder på stabilitet mot sedimentering och därmed god långtidsstabilitet. Högre halter av fyllmedel gav liknande goda resultat, men också mer utpräglade interna nätverk samt något större agglomerat. Även kolnanofibrer (CNF) kunde framgångsrikt dispergeras med ultraljudsbehandling. Direkt ultraljudsdispergering av nanofyllmedel i härdarsystemen utan ytterligare lösningsmedel genomfördes framgångsrikt och kan därför betraktas som en användbar metod för enkel och okomplicerad dispergering med potential för industriell användning. (jfr Zanghellini et al., 2021)
 

Jämförelse av olika nanofyllmedel dispergerade i härdare (ultraljudsbehandling–US): (a) 0,5 wt% kolnanofibrer (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% kolnanorör (CNT); (d) 0,5 wt% delvis dispergerade CNT.
(Studie och bild: © Zanghellini et al., 2021)

Ultraljudsdispergering av nanopartiklar – vetenskapligt bevisad överlägsenhet

Forskning visar i ett stort antal avancerade studier att ultraljudsdispergering är en av de överlägsna teknikerna för att deagglomerera och fördela nanopartiklar i vätskor även vid hög koncentration. Exempelvis undersökte Vikash (2020) dispergering av höga halter av nanokiseldioxid i viskösa vätskor med ultraljudsdispergeraren UP400S från Hielscher. I sin studie drar han slutsatsen att ”stabil och jämn dispergering av nanopartiklar kan uppnås med en ultraljudsapparat vid hög halt av fasta ämnen i viskösa vätskor.” [Vikash, 2020]

Högpresterande ultraljudsprocessorer för dispergering av nanopartiklar

Hielscher Ultrasonics är din pålitliga leverantör av tillförlitlig, högpresterande ultraljudsutrustning, från laboratorie- och pilotsystem till fullskaliga industrisystem. Apparaterna från Hielscher Ultrasonics har avancerad hårdvara, smart programvara och enastående användarvänlighet – konstruerade och tillverkade i Tyskland. Hielschers robusta ultraljudsmaskiner för dispergering, deagglomerering, syntes av nanopartiklar och funktionalisering kan köras 24/7/365 under full belastning. Beroende på din process och din produktionsanläggning kan våra ultraljudsapparater köras satsvis eller i kontinuerlig inline-drift. Olika tillbehör såsom sonotroder (ultraljudssonder), amplitudförstärkare, flödesceller och reaktorer finns lätt tillgängliga.
Kontakta oss nu för mer teknisk information, vetenskapliga studier, protokoll och en offert på våra system för ultraljudsdispergering av nanopartiklar! Vår välutbildade personal med lång erfarenhet diskuterar gärna din nanotillämpning med dig!

Tabellen nedan ger dig en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: