Надійна дисперсія наночастинок для промислових застосувань

Ультразвукова обробка високої потужності може ефективно та надійно руйнувати агломерати частинок і навіть розщеплювати первинні частинки. Завдяки високоефективній дисперсійній здатності, ультразвукові гомогенізатори зондового типу використовуються як пріоритетний метод для створення гомогенних суспензій наночастинок.

Надійна дисперсія наночастинок за допомогою ультразвуку

Багато галузей промисловості потребують приготування суспензій, навантажених наночастинками. Наночастинки – це тверді речовини з розміром частинок менше 100nm. Через мізерний розмір частинок наночастинки виявляють унікальні властивості, такі як виняткова міцність, твердість, оптичні характеристики, пластичність, стійкість до УФ-випромінювання, провідність, електричні та електромагнітні (ЕМ) властивості, антикорозійна стійкість, стійкість до подряпин та інші надзвичайні характеристики.
Ультразвук високої інтенсивності та низької частоти створює інтенсивну акустичну кавітацію, яка характеризується екстремальними умовами, такими як зсувні сили, дуже високі перепади тиску та температури, а також турбулентність. Ці кавітаційні сили прискорюють частинки, спричиняючи міжчастинкові зіткнення і, як наслідок, руйнування частинок. В результаті отримують наноструктуровані матеріали з вузькою кривою розподілу частинок за розміром та однорідним розподілом.
Ультразвукове диспергуюче обладнання підходить для обробки будь-яких видів наноматеріалів у воді та органічних розчинниках з низькою та дуже високою в’язкістю.

Ультразвукова дисперсія вуглецевих нанотрубок

Ультразвукові диспергатори широко використовуються для диспергування вуглецевих нанотрубок (CNT). Ультразвукова обробка є надійним методом розплутування та диспергування одношарових вуглецевих нанотрубок (SWCNT), а також багатошарових вуглецевих нанотрубок (MWCNT). Наприклад, для виробництва високотеплопровідного термопластичного полімеру високоочищені (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNT; зовнішній діаметр 9,5 nm; чистота 95 +%) були ультразвуково дисперговані за допомогою Hielscher UP200S протягом 30min. при кімнатній температурі. Ультразвуково дисперговані Nanocyl® 3100 MWCNT у концентрації 1% w/w в епоксидній смолі показали провідність приблизно 1,5 × 10-2 S /m.

Ультразвукова дисперсія нікелевих наночастинок

Нікелеві наночастинки можна успішно виробляти за допомогою синтезу відновленням гідразином за участю ультразвуку. Синтез відновленням гідразином дозволяє отримати чисті металеві нікелеві наночастинки сферичної форми шляхом хімічного відновлення хлориду нікелю гідразином. Дослідницька група Adám продемонструвала, що ультразвукова обробка – за допомогою Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – вдалося підтримувати середній первинний розмір кристалітів (7–8 nm) незалежно від прикладеної температури, тоді як використання інтенсивних і коротших періодів ультразвукової обробки дозволило зменшити сольводинамічні діаметри вторинних, агрегованих частинок з 710 nm до 190 nm за відсутності будь-якого поверхнево-активної речовини. Найвищу кислотність і каталітичну активність виміряно для наночастинок, отриманих за допомогою м’якої (вихідна потужність 30 W) і безперервної ультразвукової обробки. Каталітичну поведінку наночастинок перевірено в реакції перехресного сполучення Судзукі–Міяури на п’яти зразках, підготовлених як традиційними, так і ультразвуковими методами. Ультразвуково підготовлені каталізатори зазвичай демонстрували кращі результати, а найвищу каталітичну активність виміряно для наночастинок, отриманих за умов безперервної ультразвукової обробки низької потужності (30 W).
Ультразвукова обробка мала вирішальний вплив на тенденцію наночастинок до агрегації: вплив дефрагментації зруйнованих кавітаційних порожнин із інтенсивним масоперенесенням міг подолати притягальні електростатичні зруйнованих кавітаційних порожнин із інтенсивним масоперенесенням міг подолати притягальні електростатичні та ван-дер-ваальсові сили між частинками.
(пор. Adám et al. 2020)

Ультразвуковий синтез наночастинок вольastonіту

Волластоніт – це кальцієвий іносилікатний мінерал із хімічною формулою CaSiO3. Волластоніт широко використовується як компонент для виробництва цементу, скла, цегли та плитки в будівельній промисловості, як флюс при литті сталі, а також як добавка у виробництві покриттів і фарб. Наприклад, волластоніт забезпечує армування, зміцнення, низьке поглинання олії та інші покращення. Для отримання відмінних армуючих властивостей волластоніту необхідні нанорозмірна дезагломерація та однорідне диспергування.
Dordane та Doroodmand (2021) продемонстрували у своїх дослідженнях, що ультразвукове диспергування є дуже важливим фактором, який суттєво впливає на розмір і морфологію наночастинок волластоніту. Щоб оцінити внесок ультразвукової обробки в нанодиспергування волластоніту, дослідницька група синтезувала наночастинки волластоніту з застосуванням і без застосування високотужних ультразвукових систем. Для своїх випробувань із ультразвуковою обробкою дослідники використовували ультразвуковий процесор UP200H (Hielscher Ultrasonics) з частотою 24 kHz протягом 45,0 хв. Результати ультразвукового нанодиспергування показано на наведеному нижче зображенні високої роздільної здатності СЕМ. Зображення СЕМ чітко показує, що зразок волластоніту перед ультразвуковою обробкою є агломерованим і агрегованим; після ультразвукової обробки за допомогою ультразвукового апарату UP200H середній розмір частинок волластоніту становить приблизно 10nm. Дослідження демонструє, що ультразвукове диспергування є надійним і ефективним методом синтезу наночастинок волластоніту. Середній розмір наночастинок можна контролювати, регулюючи параметри ультразвукової обробки.
(пор. Dordane and Doroodmand, 2021)

Зображення СЕМ наночастинок волластоніту (A) до та (B) після ультразвукової обробки за допомогою ультразвукового процесора UP200H протягом 45,0 хв.
Дослідження та зображення: ©Dordane and Doroodmand, 2021.

Ультразвукове диспергування нанонаповнювачів

Ультразвукова обробка є універсальним методом диспергування та деагломерації нанонаповнювачів у рідинах і шлімах, наприклад, у полімерах, епоксидних смолах, затверджувачах, термопластах тощо. Тому ультразвукова обробка широко використовується як високоефективний метод диспергування в НДДКР та промисловому виробництві.
Zanghellini et al. (2021) досліджували техніку ультразвукового диспергування нанонаповнювачів в епоксидній смолі. Він зміг продемонструвати, що ультразвукова обробка дозволяла диспергувати малі та високі концентрації нанонаповнювачів у полімерну матрицю.
Порівнюючи різні рецептури, зразок з 0,5 wt% окислених CNT показав найкращі результати серед усіх зразків, оброблених ультразвуком, виявляючи розподіли розмірів більшості агломератів у діапазоні, порівнянному зі зразками, виробленими на тривалковій млині, добре зв’язування із затверджувачем, утворення перколяційної мережі всередині дисперсії, що свідчить про стійкість до седиментації та, отже, належну довгострокову стабільність. Вищі кількості наповнювача показали аналогічно хороші результати, але також утворення більш виражених внутрішніх мереж і дещо більших агломератів. Навіть вуглецеві нановолокна (CNF) можна було успішно диспергувати за допомогою ультразвукової обробки. Пряме ультразвукове диспергування нанонаповнювачів у системах затверджувачів без додаткових розчинників було успішно досягнуто, і, отже, може розглядатися як застосовний метод для простого та прямого диспергування з потенціалом для промислового використання. (див. Zanghellini et al., 2021)

Порівняння різних нанонаповнювачів, диспергованих у затверджувачі (ультразвукова обробка – US): (a) 0,5 wt% вуглецевого нановолокна (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% вуглецевої нанотрубки (CNT); (d) 0,5 wt% напівдиспергованих CNT.
(Дослідження та зображення: © Zanghellini et al., 2021)

Ультразвукове диспергування наночастинок – науково доведена перевага

Дослідження показують у численних складних дослідженнях, що ультразвукове диспергування є одним із найкращих методів для деагломерації та розподілу наночастинок навіть у високій концентрації в рідинах. Наприклад, Vikash (2020) досліджував диспергування високих навантажень нанокремнезему у в’язких рідинах, використовуючи ультразвуковий диспергатор Hielscher UP400S. У своєму дослідженні він дійшов висновку, що «стабільну та однорідну дисперсію наночастинок можна досягти за допомогою пристрою для ультразвукової обробки при високому навантаженні твердими речовинами у в’язких рідинах». [Vikash, 2020]

Високопродуктивні ультразвукові процесори для диспергування наночастинок

Hielscher Ultrasonics є вашим надійним постачальником високопродуктивного ультразвукового обладнання від лабораторних та пілотних систем до повномасштабних промислових установок. Пристрої Hielscher Ultrasonics мають складне апаратне забезпечення, розумне програмне забезпечення та виняткову зручність використання – розроблені та виготовлені в Німеччині. Надійні ультразвукові машини Hielscher для диспергування, деагломерації, синтезу та функціоналізації наночастинок можуть працювати 24/7/365 під повним навантаженням. Залежно від вашого процесу та виробничих потужностей, наші ультразвукові обробники можуть працювати в режимі партійного або безперервного потоку. Різноманітні аксесуари, такі як сонотроди (ультразвукові зонди), підсилювальні рупори, проточні комірки та реактори, легко доступні.
Зв’яжіться з нами зараз, щоб отримати більше технічної інформації, наукових досліджень, протоколів та комерційну пропозицію на наші системи ультразвукового нанодиспергування! Наші добре підготовлені, досвідчені співробітники будуть раді обговорити з вами ваші нанозастосування!

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових обробників: