Phân tán vật liệu nano (hạt nano) bằng siêu âm

Vật liệu nano đã trở thành thành phần không thể thiếu trong nhiều sản phẩm đa dạng như vật liệu hiệu năng cao, kem chống nắng, lớp phủ hiệu năng cao hoặc vật liệu composite nhựa. Xâm thực siêu âm được sử dụng để phân tán các hạt có kích thước nano vào chất lỏng, chẳng hạn như nước, dầu, dung môi hoặc nhựa.

Phân tán hạt nano bằng siêu âm

Việc ứng dụng phân tán hạt nano bằng siêu âm mang lại nhiều tác động. Rõ ràng nhất là việc phân tán vật liệu trong chất lỏng nhằm phá vỡ các cụm hạt kết tụ. Một quy trình khác là ứng dụng siêu âm trong quá trình tổng hợp hoặc kết tủa hạt. Nhìn chung, điều này tạo ra các hạt nhỏ hơn và tăng độ đồng đều về kích thước. Xâm thực siêu âm cũng cải thiện sự truyền chất tại bề mặt hạt. Hiệu ứng này có thể được sử dụng để cải thiện việc chức năng hóa bề mặt của các vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn.

Phân tán và giảm kích thước vật liệu nano

Vật liệu nano, chẳng hạn như oxit kim loại, đất sét nano hoặc ống nano carbon có xu hướng kết tụ khi được trộn vào chất lỏng. Cần có các phương pháp hiệu quả để phá kết tụ và phân tán nhằm thắng các lực liên kết sau khi làm ướt bột. Việc phá vỡ các cấu trúc kết tụ bằng siêu âm trong huyền phù nước và huyền phù không chứa nước cho phép tận dụng toàn bộ tiềm năng của vật liệu có kích thước nano. Các nghiên cứu trên nhiều hệ phân tán chứa các cụm hạt nano kết tụ với hàm lượng chất rắn thay đổi đã chứng minh ưu thế đáng kể của siêu âm so với các công nghệ khác, chẳng hạn như máy trộn rôto–stato (ví dụ: ultra turrax), máy đồng hóa piston hoặc các phương pháp nghiền ướt, ví dụ: máy nghiền bi hoặc máy nghiền keo. Các hệ thống siêu âm Hielscher có thể vận hành ở nồng độ chất rắn khá cao. Ví dụ, đối với silica người ta nhận thấy tốc độ phá vỡ không phụ thuộc vào nồng độ chất rắn lên đến 50% theo khối lượng. Siêu âm có thể được ứng dụng để phân tán các hỗn hợp đậm đặc có nồng độ cao – xử lý chất lỏng có độ nhớt thấp và cao. Điều này khiến siêu âm trở thành một giải pháp xử lý tốt cho sơn và lớp phủ sử dụng các môi trường khác nhau, chẳng hạn như nước, nhựa hoặc dầu.

Xâm thực siêu âm

Sự phân tán và phá kết tụ bằng xử lý siêu âm là kết quả của hiện tượng xâm thực siêu âm. Khi chất lỏng tiếp xúc với siêu âm, các sóng âm truyền vào chất lỏng tạo ra các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp luân phiên. Điều này gây ứng suất cơ học lên các lực hút giữa từng hạt riêng lẻ. Xâm thực siêu âm trong chất lỏng tạo ra các tia chất lỏng tốc độ cao lên đến 1000km/hr (khoảng 600mph). Những tia này ép chất lỏng vào giữa các hạt ở áp suất cao và tách chúng ra khỏi nhau. Các hạt nhỏ hơn được gia tốc cùng với các tia chất lỏng và va chạm ở tốc độ cao. Điều này khiến siêu âm trở thành một phương pháp hiệu quả để phân tán cũng như nghiền các hạt có kích thước micromet và dưới micromet.

Tổng hợp / kết tủa hạt có hỗ trợ siêu âm

Các hạt nano có thể được tạo ra theo phương pháp từ dưới lên thông qua tổng hợp hoặc kết tủa. Hóa siêu âm là một trong những kỹ thuật sớm nhất được sử dụng để điều chế các hợp chất có kích thước nano. Trong công trình ban đầu của mình, Suslick đã xử lý siêu âm Fe(CO)₅ ở dạng chất lỏng nguyên chất hoặc trong dung dịch deaclin và thu được các hạt nano sắt vô định hình có kích thước 10–20nm. Nhìn chung, một hỗn hợp quá bão hòa bắt đầu hình thành các hạt rắn từ một chất có nồng độ cao. Xử lý siêu âm cải thiện sự trộn lẫn các tiền chất và tăng cường truyền khối tại bề mặt hạt. Điều này dẫn đến kích thước hạt nhỏ hơn và độ đồng đều cao hơn.

Chức năng hóa bề mặt bằng siêu âm

Nhiều vật liệu nano, như oxit kim loại, các chất màu dùng trong mực in phun và mực in toner, hoặc chất độn cho các lớp phủ hiệu năng cao, cần được chức năng hóa bề mặt. Để chức năng hóa toàn bộ bề mặt của từng hạt riêng lẻ, cần có một phương pháp phân tán tốt. Khi được phân tán, các hạt thường được bao quanh bởi một lớp biên gồm các phân tử bị hút về phía bề mặt hạt. Để các nhóm chức mới tiếp cận được bề mặt hạt, lớp biên này cần được phá vỡ hoặc loại bỏ. Các tia chất lỏng sinh ra từ hiện tượng xâm thực siêu âm có thể đạt tốc độ lên đến 1000km/hr. Ứng suất này giúp thắng các lực hút và đưa các phân tử mang nhóm chức đến bề mặt hạt. Trong hóa học siêu âm, hiệu ứng này được sử dụng để nâng cao hiệu quả của các chất xúc tác được phân tán.

Xử lý siêu âm trước khi đo kích thước hạt

Xử lý mẫu bằng siêu âm giúp cải thiện độ chính xác của phép đo kích thước hoặc hình thái hạt. SonoStep mới kết hợp siêu âm, khuấy và bơm mẫu trong một thiết kế nhỏ gọn. Thiết bị dễ vận hành và có thể được sử dụng để đưa các mẫu đã xử lý siêu âm đến các thiết bị phân tích, chẳng hạn như máy phân tích kích thước hạt. Xử lý siêu âm cường độ cao giúp phân tán các hạt kết tụ, mang lại kết quả nhất quán hơn.Nhấp vào đây để đọc thêm!

Xử lý siêu âm ở quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất

Các thiết bị xử lý siêu âm và buồng dòng chảy dùng để phá kết tụ và phân tán có sẵn cho quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất . Các hệ thống công nghiệp có thể dễ dàng được cải hoán để vận hành trực tiếp trên dây chuyền. Đối với nghiên cứu và phát triển quy trình, chúng tôi khuyến nghị sử dụng UIP1000hd (1.000 oát).

Hielscher cung cấp nhiều loại thiết bị siêu âm và phụ kiện để phân tán hiệu quả các vật liệu nano, ví dụ như trong sơn, mực và lớp phủ.

• Các thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ gọn có công suất lên đến 400 oát.
  Các thiết bị này chủ yếu được sử dụng để chuẩn bị mẫu hoặc thực hiện các nghiên cứu khả thi ban đầu và có sẵn để cho thuê.
• 500 và 1.000 và 2.000 oát, chẳng hạn như bộ thiết bị xử lý siêu âm UIP1000hd với buồng dòng chảy cùng nhiều loại bộ tăng biên độ và đầu dò siêu âm có thể xử lý các dòng có lưu lượng thể tích lớn hơn.
  Các thiết bị loại này được sử dụng để tối ưu hóa các thông số (như: biên độ, áp suất vận hành, lưu lượng, v.v.) ở quy mô để bàn hoặc nhà máy thí điểm.
• Các thiết bị xử lý siêu âm có công suất 2kW, 4kW, 10kW và 16kW cùng các cụm lớn hơn gồm nhiều thiết bị như vậy có thể xử lý các dòng có lưu lượng thể tích ở quy mô sản xuất gần như ở mọi mức.

Thiết bị để bàn có sẵn để cho thuê với các điều kiện thuận lợi nhằm thực hiện các thử nghiệm quy trình. Kết quả của các thử nghiệm này có thể được mở rộng tuyến tính lên quy mô sản xuất – giảm rủi ro và chi phí liên quan đến việc phát triển quy trình. Chúng tôi sẵn lòng hỗ trợ bạn trực tuyến, qua điện thoại hoặc trực tiếp. Vui lòng xem địa chỉ của chúng tôi tại đây, hoặc sử dụng biểu mẫu bên dưới.

Bảng dưới đây cung cấp thông tin tham khảo về năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: