Ультразвукове диспергування наноматеріалів (наночастинок)
Наноматеріали стали невіддільним компонентом таких різноманітних продуктів, як високоефективні матеріали, сонцезахисні засоби, функціональні покриття або полімерні композити. Ультразвукову кавітацію використовують для диспергування нанорозмірних частинок у рідинах, зокрема у воді, олії, розчинниках або смолах.
Ультразвукове диспергування наночастинок
Застосування ультразвукового диспергування наночастинок має різноманітні ефекти. Найочевидніший із них – диспергування матеріалів у рідинах для руйнування агломератів частинок. Інший процес передбачає застосування ультразвуку під час синтезу або осадження частинок. Зазвичай це сприяє утворенню менших частинок і підвищенню однорідності їхніх розмірів. Ультразвукова кавітація також покращує масоперенесення на поверхнях частинок. Цей ефект можна використовувати, щоб покращити поверхневу функціоналізацію матеріалів із великою питомою площею поверхні.
Диспергування та зменшення розмірів наноматеріалів
Наноматеріали, наприклад оксиди металів, наноглини або вуглецеві нанотрубки, схильні до агломерації під час змішування з рідиною. Ефективні засоби деагломерації та диспергування потрібні для подолання сил зв’язку після змочування порошку. Ультразвукове руйнування агломератних структур у водних і неводних суспензіях дає змогу повністю використовувати потенціал нанорозмірних матеріалів. Дослідження різних дисперсій агломератів наночастинок зі змінним вмістом твердої фази продемонстрували значну перевагу ультразвуку порівняно з іншими технологіями, зокрема роторно-статорними змішувачами (наприклад ultra turrax), поршневими гомогенізаторами або методами мокрого подрібнення, наприклад у бісерних чи колоїдних млинах. Ультразвукові системи Hielscher можуть працювати за досить високих концентрацій твердої фази. Наприклад, для діоксиду кремнію було встановлено, що швидкість руйнування не залежить від концентрації твердої фази до 50% за масою. Ультразвук можна застосовувати для диспергування висококонцентрованих маточних сумішей – обробляючи рідини з низькою та високою в’язкістю. Це робить ультразвук вдалим технологічним рішенням для фарб і покриттів на основі різних середовищ, як-от вода, смола або олія.
Ультразвуковий гомогенізатор UP400St для нанодисперсій
Ультразвукова кавітація
Диспергування та деагломерація під дією ультразвуку є результатом ультразвукової кавітації. Під час впливу ультразвуку на рідину звукові хвилі, що поширюються в ній, спричиняють чергування циклів високого та низького тиску. Це створює механічне навантаження, що протидіє силам притягання між окремими частинками. Ультразвукова кавітація в рідинах спричиняє утворення високошвидкісних струменів рідини зі швидкістю до 1000km/hr (прибл. 600mph). Такі струмені нагнітають рідину під високим тиском між частинками й відокремлюють їх одна від одної. Дрібніші частинки прискорюються разом зі струменями рідини та зіштовхуються на високих швидкостях. Це робить ультразвук ефективним засобом як для диспергування, так і для подрібнення частинок мікронного та субмікронного розміру.
Синтез / осадження частинок за допомогою ультразвуку
Наночастинки можна отримувати за принципом «знизу вгору» шляхом синтезу або осадження. Сонохімія – один із найдавніших методів отримання нанорозмірних сполук. У своїй початковій роботі Suslick піддавав ультразвуковій обробці Fe(CO)5 або у вигляді чистої рідини, або в розчині deaclin та отримував аморфні наночастинки заліза розміром 10–20nm. Загалом у пересиченій суміші починають утворюватися тверді частинки з висококонцентрованого матеріалу. Ультразвукова обробка покращує змішування прекурсорів і посилює масоперенесення на поверхні частинок. Це сприяє зменшенню розміру частинок і підвищенню їхньої однорідності.
UIP2000hdT, потужний ультразвуковий апарат на 2kW для диспергування SWCNTs.
Функціоналізація поверхні за допомогою ультразвуку
Багато наноматеріалів, як-от оксиди металів, пігменти для чорнил для струменевого друку і тонерів або наповнювачі для функціональних покриттів, потребують функціоналізації поверхні. Для функціоналізації всієї поверхні кожної окремої частинки потрібен ефективний метод диспергування. У диспергованому стані частинки зазвичай оточені граничним шаром молекул, що притягуються до поверхні частинки. Щоб нові функціональні групи могли досягти поверхні частинки, цей граничний шар потрібно зруйнувати або видалити. Струмені рідини, що утворюються внаслідок ультразвукової кавітації, можуть досягати швидкості до 1000km/hr. Це механічне навантаження допомагає подолати сили притягання та переносить функціональні молекули до поверхні частинки. У сонохімії, цей ефект використовують для підвищення ефективності диспергованих каталізаторів.
Ультразвукова обробка перед вимірюванням розміру частинок
Ультразвукова обробка зразків підвищує точність вимірювання розміру або морфології частинок. Новий SonoStep поєднує ультразвукову обробку, перемішування та перекачування зразків у компактному пристрої. Він простий в експлуатації та може використовуватися для подавання оброблених ультразвуком зразків до аналітичних приладів, наприклад аналізаторів розміру частинок. Інтенсивна ультразвукова обробка допомагає диспергувати агломеровані частинки, забезпечуючи стабільніші результати. Натисніть тут, щоб дізнатися більше!
Ультразвукова обробка в лабораторному та виробничому масштабах
Ультразвукові процесори та проточні комірки для деагломерації та диспергування доступні для роботи на лабораторному та виробничому рівнях. Промислові системи можна легко дооснастити для роботи в потоці. Для досліджень і розроблення технологічних процесів ми рекомендуємо використовувати UIP1000hd (1 000 ват).
Hielscher пропонує широкий асортимент ультразвукових пристроїв і приладдя для ефективного диспергування наноматеріалів, наприклад у фарбах, чорнилах і покриттях.
- Компактні лабораторні пристрої потужністю до 400 ват.
Ці пристрої переважно використовують для підготовки зразків або початкових досліджень здійсненності процесу; їх можна взяти в оренду. - 500 і 1 000 і 2 000 ват – ультразвукові процесори такої потужності, як-от комплект UIP1000hd із проточною коміркою та різними підсилювачами амплітуди й сонотродами, можуть обробляти потоки з більшою об’ємною витратою.
Такі пристрої використовують для оптимізації параметрів (як-от амплітуда, робочий тиск, об’ємна витрата тощо) у масштабі настільної або пілотної установки. - Ультразвукові процесори потужністю 2kW, 4kW, 10kW і 16kW та більші кластери з кількох таких установок можуть обробляти виробничі потоки практично будь-якого обсягу.
Настільне обладнання можна орендувати на вигідних умовах для проведення технологічних випробувань. Результати таких випробувань можна лінійно масштабувати до виробничого рівня – зменшуючи ризики та витрати, пов’язані з розробленням процесу. Ми будемо раді допомогти вам онлайн, телефоном або особисто. Ви знайдете наші адреси тут, або скористайтеся формою нижче.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових пристроїв:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| від 1 до 500mL | від 10 до 200mL/min | UP100H |
| від 10 до 2000mL | від 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| від 0,1 до 20L | від 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| від 10 до 100L | від 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | від 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | більша | кластер із UIP16000 |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Наноматеріали – довідкова інформація
Наноматеріали – це матеріали розміром менше 100nm. Їх дедалі активніше вводять до складу фарб, чорнил і покриттів. Наноматеріали поділяють на три основні категорії: оксиди металів, наноглини та вуглецеві нанотрубки. Наночастинки оксидів металів включають нанорозмірні оксид цинку, оксид титану, оксид заліза, оксид церію та оксид цирконію, а також сполуки змішаних металів, такі як оксид індію та олова й цирконій і титан, а також сполуки змішаних металів, такі як оксид індію та олова. Ця речовина з малими розмірами частинок впливає на багато наукових дисциплін, таких як фізика, хімія та біологія. У фарбах і покриттях наноматеріали задовольняють декоративні потреби (наприклад, колір і блиск), виконують функціональні завдання (наприклад, електропровідність, інактивація мікроорганізмів) та поліпшують захисні властивості фарб і покриттів (наприклад, стійкість до подряпин, стійкість до УФ-випромінювання). Зокрема, нанорозмірні оксиди металів, такі як TiO2 і ZnO або оксид алюмінію, діоксид церію та діоксид кремнію, і нанорозмірні пігменти застосовують у нових рецептурах фарб і покриттів.
Зі зменшенням розміру речовини змінюються її характеристики, зокрема колір і взаємодія з іншими речовинами, наприклад хімічна реакційна здатність. Зміна характеристик зумовлена зміною електронних властивостей. Унаслідок зменшення розміру частинок площа поверхні матеріалу збільшується. Завдяки цьому більша частка атомів може взаємодіяти з іншими речовинами, наприклад зі смоляною матрицею.
Поверхнева активність є ключовою характеристикою наноматеріалів. Агломерація та агрегація перешкоджають контакту поверхні з іншими речовинами. Лише добре дисперговані або окремо дисперговані частинки дають змогу повністю використати корисний потенціал речовини. Як наслідок, якісне диспергування зменшує кількість наноматеріалів, потрібну для досягнення тих самих ефектів. Оскільки більшість наноматеріалів досі досить дорогі, цей аспект має велике значення для комерціалізації рецептур продуктів, що містять наноматеріали. Сьогодні багато наноматеріалів виробляють сухим способом. Тому частинки потрібно змішувати з рідкими композиціями. Саме на цьому етапі більшість наночастинок утворюють агломерати під час змочування. Особливо вуглецеві нанотрубки мають дуже високу когезію, що ускладнює їх диспергування в рідинах, як-от вода, етанол, олія, полімер або епоксидна смола. Традиційне технологічне обладнання, наприклад змішувачі з високими зсувними силами або роторно-статорні змішувачі, гомогенізатори високого тиску чи колоїдні та дискові млини, недостатньо ефективно розділяє наночастинки на окремі частинки. Ультразвукова кавітація особливо ефективно руйнує агломерати, агрегати й навіть первинні частинки речовини розміром від кількох нанометрів до пари мікрометрів. Коли ультразвук використовують для подрібнення висококонцентрованих партій, струмені рідини, що виникають унаслідок ультразвукової кавітації, змушують частинки стикатися одна з одною зі швидкостями до 1000km/h. Це руйнує сили Ван дер Ваальса в агломератах і навіть первинних частинках.
Hielscher Ultrasonics виробляє високопродуктивні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторному, пілотному й промисловому масштабах.