Нанодіаманти, дисперговані у водній суспензії за допомогою ультразвукової обробки

Дисперсії нанодіамантів можна швидко та ефективно готувати, використовуючи ультразвукові обробники Hielscher. У водній суспензії ультразвукова дезагрегація забезпечує надійне руйнування агрегатів та утворення стабільних колоїдів. У поєднанні з простим додаванням солі для коригування pH цей метод забезпечує легкий, недорогий і вільний від забруднень підхід. Завдяки масштабованості та простоті впровадження ультразвукова дисперсія є надзвичайно придатною не лише для лабораторних досліджень, а й для промислового оброблення нанодіамантів.

Ефективна дезагрегація нанодіамантів без забруднень

Нанодіаманти дедалі частіше застосовуються в біомедицині, квантових технологіях, трибології та передових композитах, проте їхня вроджена схильність до утворення жорстких агрегатів часто обмежує ефективність. Тому досягнення стабільних колоїдів із дискретних частинок є передумовою для точної характеристики та надійного застосування. Традиційні методи дезагрегації часто покладаються на жорсткі техніки подрібнення, які вносять діоксид цирконію або інші домішки, ускладнюючи очищення та обмежуючи біомедичне використання. Ультразвукова дисперсія пропонує швидку, масштабовану та вільну від забруднень альтернативу. Застосовуючи акустичну кавітацію у водних середовищах, ультразвукові обробники зондового типу ефективно руйнують агрегати до нанодіамантів розміром від одиниць нанометрів. У поєднанні з простим модулюванням pH за допомогою солі цей метод дає стабільні колоїди в широкому діапазоні pH без внесення токсичних побічних продуктів, що робить його надзвичайно привабливим як для лабораторних досліджень, так і для промислового виробництва.

Нанодіаманти можна ефективно та надійно диспергувати, використовуючи ультразвукові обробники Hielscher.

Як працює ультразвукове подрібнення та диспергування нанодіамантів?

Ультразвукова дисперсія використовує самі нанодіаманти як подрібнювальне середовище. Акустична кавітація, що генерується високоефектними ультразвуковими хвилями, створює високосхидний потік рідини. Ці потоки рідини прискорюють частинки (наприклад, діаманти) у суспензії так, що частинки стикаються зі швидкістю до 280km/s і розбиваються на дрібні нанорозмірні частинки. Це робить ультразвукове подрібнення та диспергування легким, недорогим і вільним від забруднень методом, який надійно дезагрегує нанодіаманти до нанорозмірних частинок, стабільних у водному колоїдному розчині в широкому діапазоні pH. Сіль (хлорид натрію) використовується для стабілізації нанодіамантів у водній суспензії.


 
Дізнайтеся більше про ультразвукову дезагрегацію нанодіамантів для преаналітичної підготовки зразків!
 

Ультразвукове подрібнення нанодіамантів перевершує кульові млини

Ультразвукові гомогенізатори зондового типу є надзвичайно ефективними млинами та визнаною технікою подрібнення для промислового вироблення суспензій нанодіамантів у великих масштабах. Оскільки ультразвукові млини використовують самі нанодіаманти як подрібнювальне середовище, забруднення від подрібнювальних тіл, наприклад, від цирконієвих кульок, повністю уникається. Натомість кавітаційні сили ультразвуку прискорюють частинки так, що нанодіаманти зіткнюються один з одним з великою силою і розпадаються до однорідного нанорозміру. Таке міжчастинкове зіткнення, індуковане ультразвуком, є високоефективним і надійним методом вироблення однорідно розподілених нанодисперсій.
Метод ультразвукового диспергування та дезагрегації використовує водорозчинні, нетоксичні та такі, що не забруднюють, добавки, такі як хлорид натрію або сахароза, для регулювання pH та стабілізації ультразвукової дисперсії. Ці кристалічні структури хлориду натрію або сахарози додатково діють як подрібнювальне середовище, тим самим сприяючи процесу ультразвукового подрібнення. Після завершення процесу подрібнення ці добавки можна легко видалити простим промиванням водою, що є помітною перевагою порівняно з процесом із керамічними кульками. Традиційне кулькове подрібнення, таке як в атриторах, використовує нерозчинне керамічне подрібнювальне середовище (наприклад, кулі, кульки або перлини), абразивні залишки якого забруднюють кінцеву дисперсію. Видалення забруднення, спричиненого подрібнювальним середовищем, включає складну післяобробку і є тривалим, а також коштовним.

Технологія ультразвукового диспергування ефективно виробляє водні суспензії нанодіамантів із вузьким розподілом розміру частинок.
(Дослідження та графік: ©Turcheniuk et al., 2016)

Прикладний протокол для ультразвукового диспергування нанодіамантів

Дезагрегація нанодіамантів у воді за допомогою солі та ультразвуку:
Суміш 10 г хлориду натрію та 0,250 г порошку нанодіамантів коротко подрібнювали вручну за допомогою порцелянової ступки та пестика і поміщали у скляну флакон на 20 mL разом із 5 mL деіонізованої води. Підготовлений зразок обробляли ультразвуком за допомогою зондового ультразвукового гомогенізатора протягом 100 хв при 60% вихідної потужності та 50% коефіцієнті заповнення. Після ультразвукової обробки зразок рівномірно розділили між двома пластиковими центрифужними пробірками Falcon на 50 mL і диспергували в дистильованій воді до загального об’єму 100 mL (2 × 50 mL). Потім кожен зразок центрифугували за допомогою центрифуги Eppendorf 5810-R при 4000 об/хв і 25°C протягом 10 хв, а прозорий супернатант відкинули. Вологі осади ND потім повторно диспергували в дистильованій воді (загальний об’єм 100 mL) і центрифугували вдруге при 12 000 об/хв і 25 °C протягом 1 год. Знову прозорий супернатант відкинули, а вологі осади нанодіамантів повторно диспергували, цього разу в 5 mL дистильованої води для характеристики. Стандартний аналіз AgNO3 показав повну відсутність Cl⁻ у нанодіамантах, дезагрегованих за допомогою солі та ультразвуку, промитих дистильованою водою двічі, як описано вище. Після випаровування води зі зразків було спостережено утворення чорних твердих «чипів» нанодіамантів з виходом ∼200 mg або 80% від початкової маси нанодіамантів. (див. зображення нижче)
(пор. Turcheniuk et al., 2016)

Висушений зразок ультразвуково диспергованих нанодіамантів.
(Дослідження та графік: ©Turcheniuk et al., 2016)

Високопродуктивні ультразвукові гомогенізатори для дисперсій нанодіамантів

Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та постачає високоефективне ультразвукове обладнання для млинів і диспергування для важких умов експлуатації, таких як виробництво суспензій нанодіамантів, полірувальних середовищ і нанокомпозитів. Ультразвукові гомогенізатори Hielscher використовуються у всьому світі для диспергування наноматеріалів у водних колоїдних суспензіях, полімерах, смолах, покриттях та інших високоефективних матеріалах.
Ультразвукові диспергатори Hielscher є надійними та ефективними при обробці від низьких до високих в’язкостей. Залежно від вхідних матеріалів і цільового кінцевого розміру частинок, інтенсивність ультразвуку можна точно налаштувати для оптимальних результатів процесу.
Щоб обробляти в’язкі пасти, наноматеріали та високі концентрації твердих речовин, ультразвуковий диспергатор повинен бути здатним безперервно створювати високі амплітуди. Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди в безперервному режимі роботи під повним навантаженням. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати в режимі роботи 24/7. Можливість працювати з ультразвуковим диспергатором на високих амплітудах і точно регулювати амплітуду необхідна для адаптації умов ультразвукового процесу для оптимальної формуляції високонаповнених нано-суспензій, наноармованих полімерних сумішей і нанокомпозитів.
Крім ультразвукової амплітуди, тиск є ще одним дуже важливим параметром процесу. Під підвищеним тиском інтенсивність ультразвукової кавітації та її зсувних сил зростає. Ультразвукові реактори Hielscher можна герметизувати під тиском, отримуючи таким чином інтенсифіковані результати ультразвукової обробки.
Моніторинг процесу та запис даних важливі для безперервної стандартизації процесу та якості продукту. Знімні датчики тиску та температури підключаються до ультразвукового генератора для моніторингу та контролю процесу ультразвукового диспергування. Усі важливі параметри обробки, такі як ультразвукова енергія (чиста + загальна), температура, тиск і час, автоматично протоколюються та зберігаються на вбудованій SD-картці. Отримавши доступ до автоматично записаних даних процесу, ви можете переглянути попередні сеанси ультразвукової обробки та оцінити результати процесу.
Ще однією зручною функцією є дистанційне керування через браузер наших цифрових ультразвукових систем. За допомогою дистанційного керування через браузер ви можете запускати, зупиняти, налаштовувати та моніторити ваш ультразвуковий процесор віддалено з будь-якого місця.
Зв’яжіться з нами зараз, щоб дізнатися більше про наші високоефективні ультразвукові гомогенізатори для млинів і нано-дисперсій!
Нижче наведена таблиця дає вам уявлення про приблизну пропускну здатність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів: