Nanomalzemelerin (Nanoparçacıkların) Ultrasonik Dispersiyonu
Nanomalzemeler, yüksek performanslı malzemeler, güneş koruyucular, yüksek performanslı kaplamalar veya plastik kompozitler gibi çok çeşitli ürünlerin ayrılmaz bir bileşeni hâline gelmiştir. Ultrasonik kavitasyon, nano boyutlu parçacıkları su, yağ, çözücüler veya reçineler gibi sıvılarda disperse etmek için kullanılır.
Nanoparçacıkların Ultrasonik Dispersiyonu
Uygulandığında nanoparçacıkların ultrasonik dispersiyonu çok çeşitli etkiler yaratır. Bunların en belirgini, parçacık aglomeratlarını parçalamak amacıyla malzemelerin sıvılarda disperse edilmesidir . Bir diğer işlem ise parçacık sentezi veya çöktürme sırasında ultrason uygulanmasıdır. Bu, genellikle daha küçük parçacıklara ve boyutların daha tekdüze olmasına yol açar. Ultrasonik kavitasyon parçacık yüzeylerindeki madde aktarımını da iyileştirir. Bu etki, yüksek özgül yüzey alanına sahip malzemelerin yüzey işlevselleştirilmesini iyileştirmek için kullanılabilir.
Nanomalzemelerin Disperse Edilmesi ve Boyutlarının Küçültülmesi
Metal oksitler, nanokiller veya karbon nanotüpler gibi nanomalzemeler, bir sıvıya karıştırıldıklarında aglomerasyon eğilimi gösterir. Toz ıslatıldıktan sonra bağlanma kuvvetlerini aşmak için etkili deaglomerasyon ve dispersiyon yöntemleri gerekir. Sulu ve susuz süspansiyonlardaki aglomerat yapılarının ultrasonik olarak parçalanması, nano boyutlu malzemelerin tüm potansiyelinden yararlanılmasını sağlar. Değişken katı içeriğine sahip nanoparçacık aglomeratlarının çeşitli dispersiyonları üzerinde yapılan araştırmalar, rotor-stator karıştırıcılar (ör. ultra turrax), pistonlu homojenizatörler veya boncuklu değirmenler ya da kolloid değirmenler gibi yaş öğütme yöntemleri gibi diğer teknolojilerle karşılaştırıldığında ultrasonun önemli avantajını göstermiştir. Hielscher ultrasonik sistemleri oldukça yüksek katı konsantrasyonlarında çalıştırılabilir. Örneğin, silika için parçalanma hızının, ağırlıkça %50’ye kadar katı konsantrasyonundan bağımsız olduğu bulunmuştur. Ultrason, yüksek konsantrasyonlu masterbatchlerin disperse edilmesinde kullanılabilir – düşük ve yüksek viskoziteli sıvılar işlenebilir. Bu, ultrasonu su, reçine veya yağ gibi farklı ortamları temel alan boyalar ve kaplamalar için iyi bir işleme çözümü hâline getirir.
Nano dispersiyonlar için UP400St ultrasonik homojenizatörü
Ultrasonik Kavitasyon
Sonikasyon yoluyla dispersiyon ve deaglomerasyon, ultrasonik kavitasyonun sonucudur. Sıvılar ultrasona maruz bırakıldığında, sıvının içinde yayılan ses dalgaları dönüşümlü yüksek basınç ve düşük basınç döngüleri oluşturur. Bu, tek tek parçacıklar arasındaki çekim kuvvetlerine mekanik gerilim uygular. Ultrasonik kavitasyon sıvılarda 1000km/hr’ye (yaklaşık 600mph) kadar hızlara ulaşan sıvı jetleri oluşturur. Bu jetler, sıvıyı yüksek basınçla parçacıkların arasına iter ve parçacıkları birbirinden ayırır. Daha küçük parçacıklar sıvı jetleriyle hızlandırılır ve yüksek hızlarda çarpışır. Bu, ultrasonu mikron boyutundaki ve mikron altı boyuttaki parçacıkların disperse edilmesi ve öğütülmesi için etkili bir araç hâline getirir.
Ultrason Destekli Parçacık Sentezi / Çöktürme
Nanoparçacıklar, sentez veya çöktürme yoluyla aşağıdan yukarıya yaklaşımla üretilebilir. Sonokimya, nano boyutlu bileşikleri hazırlamak için kullanılan en eski tekniklerden biridir. Suslick, özgün çalışmasında Fe(CO)5 bileşiğini ya saf sıvı hâlinde ya da deaclin çözeltisi içinde sonikasyona tabi tutmuş ve 10–20nm boyutunda amorf demir nanoparçacıkları elde etmiştir. Genellikle aşırı doymuş bir karışım, yüksek konsantrasyonlu bir malzemeden katı parçacıklar oluşturmaya başlar. Sonikasyon, öncül maddelerin karışmasını iyileştirir ve parçacık yüzeyindeki kütle aktarımını artırır. Bu, daha küçük parçacık boyutuna ve daha yüksek tekdüzeliğe yol açar.
UIP2000hdT, SWCNT’leri disperse etmek için 2kW gücünde güçlü bir sonikatördür.
Ultrason Kullanılarak Yüzey İşlevselleştirme
Metal oksitler, inkjet mürekkebi ve toner pigmentleri veya yüksek performanslı kaplamalar için dolgular gibi birçok nanomalzeme, yüzey işlevselleştirmesi gerektirir. Her bir parçacığın tüm yüzeyini işlevselleştirmek için iyi bir dispersiyon yöntemi gerekir. Disperse edildiklerinde parçacıklar tipik olarak, parçacık yüzeyine çekilen moleküllerden oluşan bir sınır tabakasıyla çevrilidir. Yeni işlevsel grupların parçacık yüzeyine ulaşabilmesi için bu sınır tabakasının parçalanması veya uzaklaştırılması gerekir. Ultrasonik kavitasyon sonucunda oluşan sıvı jetleri 1000km/hr’ye kadar hızlara ulaşabilir. Bu gerilim, çekim kuvvetlerinin aşılmasına yardımcı olur ve işlevsel molekülleri parçacık yüzeyine taşır. Sonokimyada, bu etki disperse edilmiş katalizörlerin performansını iyileştirmek için kullanılır.
Parçacık Boyutu Ölçümünden Önce Sonikasyon
Numunelerin sonikasyonu, parçacık boyutu veya morfoloji ölçümünüzün doğruluğunu artırır. Yeni SonoStep, numunelerin ultrasonla işlenmesini, karıştırılmasını ve pompalanmasını kompakt bir tasarımda birleştirir. Kullanımı kolaydır ve sonikasyona tabi tutulmuş numuneleri parçacık boyutu analizörleri gibi analitik cihazlara iletmek için kullanılabilir. Yoğun sonikasyon, aglomere olmuş parçacıkların disperse edilmesine yardımcı olarak daha tutarlı sonuçlar sağlar.Daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!
Laboratuvar ve Üretim Ölçeğinde Ultrasonik İşleme
Deaglomerasyon ve dispersiyon için ultrasonik işlemciler ve akış hücreleri, laboratuvar ve üretim ölçeği için mevcuttur. Endüstriyel sistemler, hat içinde çalışacak şekilde kolayca uyarlanabilir. Araştırma ve proses geliştirme için UIP1000hd (1.000 watt) ultrasonik homojenizatörünün kullanılmasını öneririz.
Hielscher, nanomalzemelerin örneğin boyalarda, mürekkeplerde ve kaplamalarda verimli bir şekilde disperse edilmesi için geniş bir ultrasonik cihaz ve aksesuar yelpazesi sunar.
- Kompakt laboratuvar cihazları en fazla 400 watt güce sahiptir.
Bu cihazlar ağırlıklı olarak numune hazırlama veya ilk fizibilite çalışmaları için kullanılır ve kiralanabilir. - 500 ve 1.000 ve 2.000 watt gücündeki ultrasonik işlemciler, örneğin akış hücresi ve çeşitli güçlendirici hornlar ile sonotrotlar içeren UIP1000hd seti , daha büyük hacimli akışları işleyebilir.
Bu tür cihazlar, tezgâh üstü veya pilot tesis ölçeğinde parametrelerin (genlik, çalışma basıncı, debi vb.) optimizasyonunda kullanılır. - Güçleri 2kW, 4kW, 10kW ve 16kW olan ultrasonik işlemciler ve bu tür birkaç üniteden oluşan daha büyük kümeler, neredeyse her düzeyde üretim hacimli akışları işleyebilir.
Proses denemeleri yapmak için tezgâh üstü ekipmanlar uygun koşullarla kiralanabilir. Bu tür denemelerin sonuçları, üretim düzeyine doğrusal olarak ölçeklenebilir – böylece proses geliştirmeyle ilgili risk ve maliyetler azaltılır. Size çevrim içi, telefonla veya yüz yüze yardımcı olmaktan memnuniyet duyarız. Adreslerimizi burada bulabilirsiniz veya aşağıdaki formu kullanabilirsiniz.
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bir fikir verir:
| Parti Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha büyük | Ünite kümesi: UIP16000 |
Bize Ulaşın! / Bize Sorun!
Nanomalzemeler – Temel Bilgiler
Nanomalzemeler, boyutları 100nm’den küçük olan malzemelerdir. Boya, mürekkep ve kaplama formülasyonlarında hızla yaygınlaşmaktadırlar. Nanomalzemeler üç geniş kategoriye ayrılır: metal oksitler, nanokiller ve karbon nanotüpler. Metal oksit nanoparçacıkları, nano ölçekli çinko oksit, titanyum oksit, demir oksit, seryum oksit ve zirkonyum oksidin yanı sıra indiyum-kalay oksit ve zirkonyum ve titanyum gibi karma metal bileşiklerini ve ayrıca indiyum-kalay oksit gibi karma metal bileşiklerini içerir. Bu küçük boyutlu madde, fizik, kimya ve biyoloji gibi birçok disiplini etkiler. Boya ve kaplamalarda nanomalzemeler dekoratif ihtiyaçları (ör. renk ve parlaklık) ve işlevsel amaçları (ör. iletkenlik, mikrobiyal inaktivasyon) karşılar ve boyaların ve kaplamaların koruma özelliklerini (ör. çizilme direnci, UV kararlılığı) iyileştirir. Özellikle TiO2 ve ZnO veya alümina, serya ve silika gibi nano boyutlu metal oksitler ve nano boyutlu pigmentler, yeni boya ve kaplama formülasyonlarında uygulama alanı bulur.
Maddenin boyutu küçültüldüğünde, renk ve diğer maddelerle etkileşim (örneğin kimyasal reaktivite) gibi özellikleri değişir. Özelliklerdeki değişim, elektronik özelliklerin değişmesinden kaynaklanır. Parçacık boyutunun küçültülmesi ile malzemenin yüzey alanı artar. Bu sayede atomların daha yüksek bir yüzdesi, örneğin reçine matrisi gibi diğer maddelerle etkileşime girebilir.
Yüzey aktivitesi, nanomalzemelerin temel bir özelliğidir. Aglomerasyon ve agregasyon, yüzey alanının diğer maddelerle temasını engeller. Yalnızca iyi disperse edilmiş veya tek tek disperse edilmiş parçacıklar, maddenin tüm yararlı potansiyelinden yararlanılmasını sağlar. Sonuç olarak iyi dispersiyon, aynı etkileri elde etmek için gereken nanomalzeme miktarını azaltır. Çoğu nanomalzeme hâlâ oldukça pahalı olduğundan, bu husus nanomalzeme içeren ürün formülasyonlarının ticarileştirilmesi açısından büyük önem taşır. Günümüzde birçok nanomalzeme kuru bir prosesle üretilmektedir. Bu nedenle parçacıkların sıvı formülasyonlara karıştırılması gerekir. Çoğu nanoparçacık, bu aşamada ıslatma sırasında aglomeratlar oluşturur. Özellikle karbon nanotüpler çok yüksek kohezyona sahiptir; bu da bunların su, etanol, yağ, polimer veya epoksi reçine gibi sıvılarda disperse edilmesini zorlaştırır. Yüksek kesmeli veya rotor-stator karıştırıcılar, yüksek basınçlı homojenizatörler ya da kolloid ve disk değirmenler gibi geleneksel işleme cihazları, nanoparçacıkları ayrı parçacıklara ayırmada yetersiz kalır. Ultrasonik kavitasyon, özellikle birkaç nanometreden birkaç mikrona kadar olan küçük boyutlu maddelerde aglomeratları, agregatları ve hatta birincil parçacıkları parçalamada çok etkilidir. Yüksek konsantrasyonlu partilerin öğütülmesi için ultrason kullanıldığında, ultrasonik kavitasyondan kaynaklanan sıvı jetleri parçacıkların 1000km/h’ye kadar hızlarda birbirleriyle çarpışmasını sağlar. Bu, aglomeratlardaki ve hatta birincil parçacıklardaki van der Waals kuvvetlerini kırar.
Hielscher Ultrasonics, laboratuvar, pilot ve endüstriyel ölçekte karıştırma uygulamaları, dispersiyon, emülsifikasyon ve ekstraksiyon için yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretir.