Tillförlitlig nanopartikeldispersion för industriella tillämpningar

Ultraljud med hög effekt kan effektivt och tillförlitligt bryta upp partikelagglomerat och till och med sönderdela primära partiklar. På grund av dess högpresterande dispersionsprestanda används ultraljudsapparater av sondtyp som föredragen metod för att skapa homogena nanopartikelsuspensioner.

Pålitlig nanopartikeldispersion genom ultraljud

Många industrier kräver framställning av suspensioner, som är laddade nanopartiklar. Nanopartiklar är fasta ämnen med en partikelstorlek mindre än 100 nm. På grund av den lilla partikelstorleken uttrycker nanopartiklar unika egenskaper såsom exceptionell styrka, 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 som skjuvkrafter, mycket höga tryck- och temperaturskillnader och turbulenser. Dessa kavitationskrafter accelererar partiklar och orsakar kollisioner mellan partiklarna och följaktligen splittring av partiklarna. Följaktligen erhålls nanostrukturerade material med en smal partikelstorlekskurva och en jämn fördelning.
Ultraljudsdispergeringsutrustning är lämplig för att behandla alla typer av nanomaterial i vatten och organiska lösningsmedel, med låga till mycket höga viskositeter.

Ultraljudsdispersion av kolnanorör

Ultrasonic dispersers are widely used for the purpose of dispersing carbon nanotubes (CNTs). Sonication is a reliable method to detangle and disperse single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as well as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). For instance, in order to produce a highly conductive thermoplastic polymer, high-purity (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; external diameter 9.5 nm; purity 95 +%) have been ultrasonically dispersed with the Hielscher UP200S for 30min. at room temperature. The ultrasonically dispersed Nanocyl® 3100 MWCNTs at a concentration of 1% w/w in the epoxy resin showed superior conductivity of approx. 1.5 × 10-2 S /m.

Ultraljudsdispersion av nickelnanopartiklar

Nickelnanopartiklar kan framgångsrikt produceras via ultraljudsassiterad hydrazinreduktionssyntes. Syntesmetoden för hydrazinreduktion gör det möjligt att framställa ren metallisk nickelnanopartikel med sfärisk form genom kemisk reduktion av nickelklorid med hydrazin. Forskargruppen i Adám visade att ultraljud – med hjälp av Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – kunde upprätthålla en genomsnittlig primär kristallitstorlek (7–8 nm) oberoende av den applicerade temperaturen, medan användningen av intensiva och kortare ultraljudsbehandlingsperioder kunde minska de solvodynamiska diametrarna hos de sekundära, aggregerade partiklarna från 710 nm till 190 nm i frånvaro av något ytaktivt ämne. Den högsta surhetsgraden och den katalytiska aktiviteten uppmättes för de nanopartiklar som framställdes genom mild (30 W uteffekt) och kontinuerlig ultraljudsbehandling. Det katalytiska beteendet hos nanopartiklarna testades i en Suzuki-Miyaura korskopplingsreaktion över fem prover som preparerats på såväl konventionella som ultraljudssätt. De ultraljudspreparerade katalysatorerna presterade vanligtvis bättre, och den högsta katalytiska aktiviteten mättes över nanopartiklarna som framställdes under lågeffekt (30 W) kontinuerlig ultraljudsbehandling.
Ultraljudsbehandlingen hade avgörande effekter på aggregeringstendensen hos nanopartiklarna: defragmenteringseffekten av de förstörda kavitationshålrummen med den kraftiga massöverföringen kunde övervinna den attraktiva elektrostatiska effekten av de förstörda kavitationshålrummen med den kraftiga massöverföringen kunde övervinna de attraktiva elektrostatiska och van der Waals-krafterna mellan partiklarna.
(jfr Adám et al. 2020)

Ultraljudssyntes av wollastonitnanopartiklar

Wollastonit är ett kalciuminsilikatmineral med den kemiska formeln CaSiO3 Wollastonit används ofta som komponent för tillverkning av cement, glas, tegel och kakel inom byggindustrin, som flussmedel vid gjutning av stål samt som tillsats vid tillverkning av beläggningar och färger. Till exempel ger wollastonit förstärkning, härdning, låg oljeabsorption och andra förbättringar. För att erhålla utmärkta förstärkande egenskaper hos wollastonit är deagglomeration i nanoskala och likformig dispersion avgörande.
Dordane och Doroodmand (2021) visade i sina studier att ultraljudsdispersion är en mycket viktig faktor som påverkar storleken och morfologin hos wollastonitnanopartiklar avsevärt. För att utvärdera bidraget av ultraljudsbehandling på wollastonit nano-dispersion, syntetiserade forskargruppen wollastonit nanopartiklar med och utan tillämpning av högeffekts ultraljud. För sina ultraljudsbehandling försök, använde forskarna ultraljudsprocessor UP200H (Hielscher ultraljud) med en frekvens på 24 kHz i 45,0 min. Resultaten av ultraljud nanodispersion visas i den högupplösta SEM nedan. SEM-bilden visar tydligt att wollastonitprovet före ultraljudsbehandling är agglomererat och aggregerat; efter ultraljudsbehandling med UP200H ultraljudsapparat är den genomsnittliga storleken på wollastonitpartiklarna ca 10nm. Studien visar att ultraljudsdispersion är en pålitlig och effektiv teknik för att syntetisera wollastonitnanopartiklar. Den genomsnittliga nanopartikelstorleken kan kontrolleras genom att justera ultraljudsbearbetningsparametrarna.
(jfr Dordane och Doroodmand, 2021)

SEM-bilder av wollastonit nanopartiklar (A) före och (B) efter ultraljud med hjälp av ultraljudsprocessor UP200H i 45.0 min.
Studie och bild: ©Dordane och Doroodmand, 2021.

Ultraljud Nanofiller dispersion

Ultraljudsbehandling är en mångsidig metod för att dispergera och deagglomerera nanofyllmedel i vätskor och uppslamningar, t.ex. polymerer, epoxihartser, härdare, termoplaster etc. Därför används sonifiering i stor utsträckning som en mycket effektiv dispersionsmetod i R&D och industriell produktion.
Zanghellini et al. (2021) undersökte ultraljudsdispersionstekniken för nanofyllmedel i epoxiharts. Han kunde visa att ultraljudsbehandling kunde dispergera små och höga koncentrationer av nanofyllmedel i en polymermatris.
Genom att jämföra olika formuleringar visade den 0,5 viktprocent oxiderade CNT de bästa resultaten av alla sonikerade prover, vilket avslöjade storleksfördelningar av de flesta agglomeraten i ett jämförbart intervall med tre valsverksproducerade prover, en bra bindning till härdaren, bildandet av ett perkolationsnätverk inuti dispersionen, vilket pekar mot stabilitet mot sedimentation och därmed en korrekt långsiktig stabilitet. Högre fyllnadsmängder visade liknande goda resultat, men även bildandet av mer uttalade interna nätverk samt något större agglomerat. Även kolnanofibrer (CNF) kan dispergeras framgångsrikt via ultraljudsbehandling. Direkt US-dispersion av nanofyllmedel i härdarsystemen utan ytterligare lösningsmedel uppnåddes framgångsrikt, och kan därmed ses som en tillämpbar metod för en enkel och okomplicerad dispersion med potential för industriell användning. (jfr Zanghellini et al., 2021)
 

Jämförelse av olika nanofyllmedel dispergerade i härdare (ultraljudsbehandling - USA): (a) 0,5 viktprocent kolnanofiber (CNF); b) 0,5 viktprocent CNToxi, c) 0,5 viktprocent kolnanorör (CNT), d) 0,5 viktprocent CNT halvdispersioner.
(Studie och bild: © Zanghellini et al., 2021)

Ultraljudsdispersion av nanopartiklar – Vetenskapligt bevisad för överlägsenhet

Forskning visar i många sofistikerade studier att ultraljudsdispersion är en av de överlägsna teknikerna för att deagglomerera och distribuera nanopartiklar även vid hög koncentration i vätskor. Till exempel undersökte Vikash (2020) dispersionen av höga belastningar av nano-kiseldioxid i viskösa vätskor med hjälp av Hielscher ultraljudsdispergis UP400S. I sin studie kommer han till slutsatsen att "den stabila och enhetliga dispersionen av nanopartiklar kan uppnås med hjälp av en ultraljudsanordning vid hög fast belastning i viskösa vätskor." [Vikash, 2020]

Högpresterande ultraljudsprocessorer för nanopartikeldispersion

Hielscher Ultrasonics är din pålitliga leverantör för pålitlig högpresterande ultraljudsutrustning från labb och pilot till fullindustriella system. Hielscher Ultraljud’ Enheterna har sofistikerad hårdvara, smart programvara och enastående användarvänlighet – designad och tillverkad i Tyskland. Hielschers robusta ultraljudsmaskiner för dispersion, deagglomeration, nanopartikelsyntes och funktionalisering kan användas 24/7/365 under full belastning. Beroende på din process och din produktionsanläggning kan våra ultraljudsapparater köras i batch- eller kontinuerligt in-line-läge. Olika tillbehör som sonotroder (ultraljudssonder), boosterhorn, flödesceller och reaktorer är lätt tillgängliga.
Kontakta oss nu för att få mer teknisk information, vetenskapliga studier, protokoll och en offert för våra ultraljudsnanodispersionssystem! Vår välutbildade, långvariga personal diskuterar gärna din nanoapplikation med dig!

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: