การกระจายอนุภาคนาโนที่เชื่อถือได้สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม

การใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงสามารถสลายกลุ่มอนุภาคที่เกาะกันได้อย่างมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ และยังสามารถทำให้อนุภาคปฐมภูมิแตกตัวได้ด้วย ด้วยสมรรถนะการกระจายที่สูง เครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบจึงเป็นวิธีที่นิยมเลือกใช้เพื่อสร้างสารแขวนลอยของอนุภาคนาโนที่เป็นเนื้อเดียวกัน

การกระจายอนุภาคนาโนที่เชื่อถือได้ด้วยอัลตราซาวนด์

อุตสาหกรรมหลายประเภทจำเป็นต้องเตรียมสารแขวนลอยที่มีอนุภาคนาโนอยู่ อนุภาคนาโนเป็นของแข็งที่มีขนาดอนุภาคเล็กกว่า 100nm ด้วยขนาดอนุภาคที่เล็กมาก อนุภาคนาโนจึงแสดงสมบัติเฉพาะตัว เช่น ความแข็งแรงเป็นพิเศษ ความแข็ง สมบัติทางแสง ความเหนียว ความทนทานต่อรังสี UV การนำไฟฟ้า สมบัติทางไฟฟ้าและแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) ความต้านทานการกัดกร่อน ความทนทานต่อรอยขีดข่วน และลักษณะพิเศษอื่น ๆ
อัลตราซาวนด์ความเข้มสูงและความถี่ต่ำทำให้เกิดคาวิเทชันทางเสียงอย่างรุนแรง ซึ่งมีลักษณะเป็นสภาวะสุดขั้ว เช่น แรงเฉือน ความแตกต่างของความดันและอุณหภูมิที่สูงมาก และความปั่นป่วน แรงจากคาวิเทชันเหล่านี้เร่งอนุภาค ทำให้เกิดการชนกันระหว่างอนุภาคและส่งผลให้อนุภาคแตกละเอียด ด้วยเหตุนี้จึงได้วัสดุที่มีโครงสร้างนาโนซึ่งมีเส้นโค้งการกระจายขนาดอนุภาคแคบและมีการกระจายตัวสม่ำเสมอ
อุปกรณ์กระจายด้วยอัลตราซาวนด์เหมาะสำหรับการแปรรูปวัสดุนาโนทุกชนิดในน้ำและตัวทำละลายอินทรีย์ที่มีความหนืดตั้งแต่ต่ำจนถึงสูงมาก

การกระจายท่อนาโนคาร์บอนด้วยอัลตราซาวนด์

เครื่องกระจายด้วยอัลตราซาวนด์ใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อกระจายท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) การใช้อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่เชื่อถือได้ในการคลายการพันกันและกระจายท่อนาโนคาร์บอนผนังชั้นเดียว (SWCNTs) รวมถึงท่อนาโนคาร์บอนผนังหลายชั้น (MWCNTs) ตัวอย่างเช่น เพื่อผลิตพอลิเมอร์เทอร์โมพลาสติกที่นำไฟฟ้าได้สูง ได้มีการกระจาย Nanocyl® 3100 ที่มีความบริสุทธิ์สูง (> 95%) (MWCNTs; เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 9.5 nm; ความบริสุทธิ์ 95 +%) ด้วยอัลตราซาวนด์โดยใช้ Hielscher UP200S เป็นเวลา 30min. ที่อุณหภูมิห้อง Nanocyl® 3100 MWCNTs ที่กระจายด้วยอัลตราซาวนด์ที่ความเข้มข้น 1% w/w ในเรซินอีพ็อกซีแสดงค่าการนำไฟฟ้าที่เหนือกว่า โดยมีค่าประมาณ 1.5 × 10-2 S /m

การกระจายอนุภาคนาโนนิกเกิลด้วยอัลตราซาวนด์

สามารถผลิตอนุภาคนาโนนิกเกิลได้สำเร็จผ่านการสังเคราะห์ด้วยปฏิกิริยารีดักชันโดยไฮดราซีนที่มีอัลตราซาวนด์ช่วย เส้นทางการสังเคราะห์ด้วยปฏิกิริยารีดักชันโดยไฮดราซีนช่วยให้เตรียมอนุภาคนาโนของโลหะนิกเกิลบริสุทธิ์ที่มีรูปร่างทรงกลมได้ โดยรีดิวซ์นิกเกิลคลอไรด์ทางเคมีด้วยไฮดราซีน กลุ่มวิจัยของ Adám แสดงให้เห็นว่าการใช้อัลตราซาวนด์ – โดยใช้ Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – สามารถรักษาขนาดเฉลี่ยของผลึกย่อยปฐมภูมิ (7–8 nm) ได้โดยไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่ใช้ ขณะที่การใช้อัลตราซาวนด์ความเข้มสูงในช่วงเวลาที่สั้นลงสามารถลดเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงโซลโวไดนามิกของอนุภาคทุติยภูมิที่รวมตัวกันจาก 710 nm เหลือ 190 nm ได้โดยไม่มีสารลดแรงตึงผิวใด ๆ ค่าความเป็นกรดและกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาสูงที่สุดวัดได้จากอนุภาคนาโนที่เตรียมด้วยการใช้อัลตราซาวนด์อย่างอ่อน (กำลังขาออก 30 W) และต่อเนื่อง มีการทดสอบพฤติกรรมการเร่งปฏิกิริยาของอนุภาคนาโนในปฏิกิริยาครอสคัปปลิง Suzuki-Miyaura โดยใช้ตัวอย่างห้าตัวอย่างที่เตรียมด้วยวิธีทั่วไปและวิธีอัลตราซาวนด์ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมด้วยอัลตราซาวนด์มักให้ผลดีกว่า และกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาสูงที่สุดวัดได้จากอนุภาคนาโนที่เตรียมด้วยการใช้อัลตราซาวนด์กำลังต่ำ (30 W) อย่างต่อเนื่อง
การใช้อัลตราซาวนด์มีผลอย่างสำคัญต่อแนวโน้มการรวมตัวของอนุภาคนาโน: อิทธิพลของการดีแฟรกเมนเทชันจากโพรงคาวิเทชันที่ถูกทำลายร่วมกับการถ่ายโอนมวลอย่างรุนแรงสามารถเอาชนะแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตของโพรงคาวิเทชันที่ถูกทำลายร่วมกับการถ่ายโอนมวลอย่างรุนแรงสามารถเอาชนะแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตและแรงแวนเดอร์วาลส์ระหว่างอนุภาคได้
(ดู Adám et al. 2020)

การสังเคราะห์อนุภาคนาโนวอลลาสโทไนต์ด้วยอัลตราซาวนด์

วอลลาสโทไนต์เป็นแร่แคลเซียมอิโนซิลิเกตที่มีสูตรเคมี CaSiO3 วอลลาสโทไนต์ใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นส่วนประกอบในการผลิตซีเมนต์ แก้ว อิฐ และกระเบื้องในอุตสาหกรรมก่อสร้าง เป็นสารช่วยหลอมในการหล่อเหล็กกล้า และเป็นสารเติมแต่งในการผลิตสารเคลือบและสี ตัวอย่างเช่น วอลลาสโทไนต์ช่วยเสริมความแข็งแรง เพิ่มความแข็ง ให้การดูดซับน้ำมันต่ำ และปรับปรุงสมบัติอื่น ๆ เพื่อให้ได้สมบัติการเสริมความแข็งแรงที่ดีเยี่ยมของวอลลาสโทไนต์ การสลายกลุ่มอนุภาคที่เกาะกันในระดับนาโนและการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอจึงเป็นสิ่งจำเป็น
Dordane และ Doroodmand (2021) แสดงให้เห็นในการศึกษาของพวกเขาว่าการกระจายด้วยอัลตราซาวนด์เป็นปัจจัยที่สำคัญมากซึ่งส่งผลอย่างมีนัยสำคัญต่อขนาดและสัณฐานวิทยาของอนุภาคนาโนวอลลาสโทไนต์ เพื่อประเมินบทบาทของการใช้อัลตราซาวนด์ต่อการกระจายวอลลาสโทไนต์ในระดับนาโน ทีมวิจัยได้สังเคราะห์อนุภาคนาโนวอลลาสโทไนต์ทั้งโดยใช้และไม่ใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูง สำหรับการทดลองใช้อัลตราซาวนด์ นักวิจัยใช้ เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ UP200H (Hielscher Ultrasonics) ที่ความถี่ 24 kHz เป็นเวลา 45.0 min. ผลการกระจายในระดับนาโนด้วยอัลตราซาวนด์แสดงในภาพ SEM ความละเอียดสูงด้านล่าง ภาพ SEM แสดงอย่างชัดเจนว่าตัวอย่างวอลลาสโทไนต์ก่อนการใช้อัลตราซาวนด์มีการเกาะกลุ่มและรวมตัวกัน หลังจากใช้อัลตราซาวนด์ด้วยเครื่อง UP200H ขนาดเฉลี่ยของอนุภาควอลลาสโทไนต์อยู่ที่ประมาณ 10nm การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าการกระจายด้วยอัลตราซาวนด์เป็นเทคนิคที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพในการสังเคราะห์อนุภาคนาโนวอลลาสโทไนต์ สามารถควบคุมขนาดเฉลี่ยของอนุภาคนาโนได้โดยปรับพารามิเตอร์การแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์
(ดู Dordane และ Doroodmand, 2021)

ภาพ SEM ของอนุภาคนาโนวอลลาสโทไนต์ (A) ก่อนและ (B) หลังการใช้อัลตราซาวนด์โดยใช้ เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ UP200H เป็นเวลา 45.0 min.
การศึกษาและภาพ: ©Dordane และ Doroodmand, 2021.

การกระจายสารตัวเติมนาโนด้วยอัลตราซาวนด์

การใช้อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่ใช้ได้หลากหลายในการกระจายและสลายกลุ่มสารตัวเติมนาโนที่เกาะกันในของเหลวและสลาร์รี เช่น พอลิเมอร์ เรซินอีพ็อกซี สารทำให้แข็ง เทอร์โมพลาสติก เป็นต้น ดังนั้น การใช้อัลตราซาวนด์จึงใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นวิธีกระจายที่มีประสิทธิภาพสูงในการวิจัยและพัฒนาและการผลิตระดับอุตสาหกรรม
Zanghellini et al. (2021) ศึกษาเทคนิคการกระจายสารตัวเติมนาโนในเรซินอีพ็อกซีด้วยอัลตราซาวนด์ เขาสามารถแสดงให้เห็นว่าการใช้อัลตราซาวนด์สามารถกระจายสารตัวเติมนาโนทั้งที่ความเข้มข้นต่ำและสูงเข้าไปในเมทริกซ์พอลิเมอร์ได้
เมื่อเปรียบเทียบสูตรต่าง ๆ CNT ที่ผ่านการออกซิไดซ์ในปริมาณ 0.5 wt% ให้ผลดีที่สุดในบรรดาตัวอย่างทั้งหมดที่ผ่านการใช้อัลตราซาวนด์ โดยแสดงการกระจายขนาดของกลุ่มอนุภาคส่วนใหญ่ในช่วงที่ใกล้เคียงกับตัวอย่างที่ผลิตด้วยเครื่องบดสามลูกกลิ้ง มีการยึดเกาะกับสารทำให้แข็งได้ดี และเกิดโครงข่ายเพอร์โคเลชันภายในระบบกระจายตัว ซึ่งบ่งชี้ถึงเสถียรภาพต่อการตกตะกอน และจึงมีเสถียรภาพระยะยาวที่เหมาะสม ปริมาณสารตัวเติมที่สูงขึ้นให้ผลดีในลักษณะคล้ายกัน แต่ยังทำให้เกิดโครงข่ายภายในที่เด่นชัดขึ้นและกลุ่มอนุภาคที่ใหญ่ขึ้นเล็กน้อย แม้แต่เส้นใยนาโนคาร์บอน (CNF) ก็สามารถกระจายได้สำเร็จด้วยการใช้อัลตราซาวนด์ การกระจายสารตัวเติมนาโนด้วยอัลตราซาวนด์ (US) โดยตรงในระบบสารทำให้แข็งโดยไม่ใช้ตัวทำละลายเพิ่มเติมทำได้สำเร็จ จึงถือได้ว่าเป็นวิธีที่ใช้ได้สำหรับการกระจายที่เรียบง่ายและตรงไปตรงมา พร้อมศักยภาพสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม (ดู Zanghellini et al., 2021)
 

การเปรียบเทียบสารตัวเติมนาโนชนิดต่าง ๆ ที่กระจายในสารทำให้แข็ง (การใช้อัลตราซาวนด์–US): (a) เส้นใยนาโนคาร์บอน (CNF) 0.5 wt%; (b) CNToxi 0.5 wt%; (c) ท่อนาโนคาร์บอน (CNT) 0.5 wt%; (d) CNT ที่กระจายตัวบางส่วน 0.5 wt%.
(การศึกษาและภาพ: © Zanghellini et al., 2021)

การกระจายอนุภาคนาโนด้วยอัลตราซาวนด์ – พิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์แล้วว่ามีความเหนือกว่า

งานวิจัยจากการศึกษาที่ซับซ้อนจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าการกระจายด้วยอัลตราซาวนด์เป็นหนึ่งในเทคนิคที่เหนือกว่าในการสลายกลุ่มอนุภาคนาโนที่เกาะกันและกระจายอนุภาคนาโนในของเหลว แม้ที่ความเข้มข้นสูง ตัวอย่างเช่น Vikash (2020) ศึกษาการกระจายนาโนซิลิกาในปริมาณสูงในของเหลวหนืดโดยใช้เครื่องกระจายด้วยอัลตราซาวนด์ Hielscher UP400S ในการศึกษาของเขา เขาสรุปว่า “สามารถทำให้อนุภาคนาโนกระจายตัวอย่างมีเสถียรภาพและสม่ำเสมอได้โดยใช้อุปกรณ์อัลตราซาวนด์เมื่อมีปริมาณของแข็งสูงในของเหลวหนืด” [Vikash, 2020]

เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงสำหรับการกระจายอนุภาคนาโน

Hielscher Ultrasonics เป็นผู้จัดหาอุปกรณ์อัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่เชื่อถือได้และไว้วางใจได้ของคุณ ตั้งแต่ระดับห้องปฏิบัติการและระดับนำร่องจนถึงระบบอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ อุปกรณ์ของ Hielscher Ultrasonics มีฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อน ซอฟต์แวร์อัจฉริยะ และความสะดวกในการใช้งานที่โดดเด่น – ออกแบบและผลิตในประเทศเยอรมนี เครื่องอัลตราซาวนด์ที่ทนทานของ Hielscher สำหรับการกระจาย การสลายกลุ่มอนุภาคที่เกาะกัน การสังเคราะห์อนุภาคนาโน และการเติมหมู่ฟังก์ชัน สามารถทำงานได้ 24/7/365 ภายใต้โหลดเต็มกำลัง เครื่องอัลตราซาวนด์ของเราสามารถทำงานในโหมดแบบแบตช์หรืออินไลน์แบบต่อเนื่องได้ ขึ้นอยู่กับกระบวนการและสถานที่ผลิตของคุณ มีอุปกรณ์เสริมหลากหลายพร้อมให้เลือกใช้ เช่น โซโนโทรด (โพรบอัลตราซาวนด์) ฮอร์นเพิ่มแอมพลิจูด เซลล์การไหล และเครื่องปฏิกรณ์
ติดต่อเราตอนนี้เพื่อรับข้อมูลทางเทคนิคเพิ่มเติม งานศึกษาทางวิทยาศาสตร์ ขั้นตอนปฏิบัติ และใบเสนอราคาสำหรับระบบกระจายในระดับนาโนด้วยอัลตราซาวนด์ของเรา! บุคลากรของเราที่ผ่านการฝึกอบรมอย่างดีและมีประสบการณ์ยาวนานยินดีหารือกับคุณเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้นาโนของคุณ!

ตารางด้านล่างแสดงให้เห็นกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา: