Phân tán hạt nano đáng tin cậy cho các ứng dụng công nghiệp

Xử lý bằng siêu âm công suất cao có thể phá vỡ các khối kết tụ hạt một cách hiệu quả và đáng tin cậy, thậm chí phân rã cả các hạt sơ cấp. Nhờ hiệu suất phân tán cao, máy siêu âm dạng đầu dò được sử dụng như phương pháp ưu tiên để tạo ra các huyền phù hạt nano đồng nhất.

Phân tán hạt nano đáng tin cậy bằng xử lý siêu âm

Nhiều ngành công nghiệp yêu cầu điều chế huyền phù chứa hạt nano. Hạt nano là các hạt rắn có kích thước nhỏ hơn 100nm. Do kích thước vô cùng nhỏ, hạt nano thể hiện các tính chất độc đáo như độ bền vượt trội, độ cứng, đặc tính quang học, độ dẻo, khả năng chống tia UV, khả năng dẫn điện, các tính chất điện và điện từ (EM), khả năng chống ăn mòn, khả năng chống trầy xước và các đặc tính khác thường khác.
Siêu âm cường độ cao, tần số thấp tạo ra hiện tượng xâm thực âm học mạnh, đặc trưng bởi các điều kiện cực đoan như lực cắt, chênh lệch áp suất và nhiệt độ rất lớn cùng dòng chảy rối. Các lực xâm thực này làm tăng tốc các hạt, gây va chạm giữa các hạt và do đó làm vỡ hạt. Kết quả là thu được vật liệu có cấu trúc nano với đường cong phân bố kích thước hạt hẹp và sự phân bố đồng đều.
Thiết bị phân tán bằng siêu âm phù hợp để xử lý mọi loại vật liệu nano trong nước và dung môi hữu cơ, có độ nhớt từ thấp đến rất cao.

Phân tán ống nano cacbon bằng siêu âm

Máy phân tán siêu âm được sử dụng rộng rãi để phân tán ống nano cacbon (CNTs). Xử lý bằng siêu âm là phương pháp đáng tin cậy để gỡ rối và phân tán ống nano cacbon đơn thành (SWCNTs) cũng như ống nano cacbon đa thành (MWCNTs). Ví dụ, để sản xuất polyme nhiệt dẻo có độ dẫn điện cao, Nanocyl® 3100 có độ tinh khiết cao (> 95%) (MWCNTs; đường kính ngoài 9,5 nm; độ tinh khiết 95 +%) đã được phân tán bằng siêu âm với Hielscher UP200S trong 30min. ở nhiệt độ phòng. Nanocyl® 3100 MWCNTs được phân tán bằng siêu âm ở nồng độ 1% w/w trong nhựa epoxy cho thấy độ dẫn điện vượt trội, khoảng 1,5 × 10-2 S /m.

Phân tán hạt nano niken bằng siêu âm

Hạt nano niken có thể được sản xuất thành công thông qua quá trình tổng hợp bằng phản ứng khử với hydrazin có hỗ trợ siêu âm. Quy trình tổng hợp bằng phản ứng khử với hydrazin cho phép điều chế hạt nano niken kim loại tinh khiết có dạng hình cầu bằng cách khử hóa học niken clorua với hydrazin. Nhóm nghiên cứu của Adám đã chứng minh rằng quá trình xử lý bằng siêu âm – sử dụng Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – có thể duy trì kích thước vi tinh thể sơ cấp trung bình (7–8 nm) không phụ thuộc vào nhiệt độ áp dụng, trong khi việc sử dụng các đợt xử lý siêu âm cường độ cao và ngắn hơn có thể giảm đường kính động học trong dung môi của các hạt thứ cấp kết tụ từ 710 nm xuống 190 nm mà không có bất kỳ chất hoạt động bề mặt nào. Độ axit và hoạt tính xúc tác cao nhất được đo ở các hạt nano được điều chế bằng phương pháp xử lý siêu âm nhẹ (công suất đầu ra 30 W) và liên tục. Đặc tính xúc tác của các hạt nano được thử nghiệm trong phản ứng ghép chéo Suzuki-Miyaura trên năm mẫu được điều chế bằng cả phương pháp thông thường và phương pháp siêu âm. Các chất xúc tác được điều chế bằng siêu âm thường cho hiệu quả tốt hơn, và hoạt tính xúc tác cao nhất được đo ở các hạt nano được điều chế bằng siêu âm liên tục ở công suất thấp (30 W).
Quá trình xử lý siêu âm có tác động then chốt đến xu hướng kết tụ của các hạt nano: tác động phá vỡ của các khoang xâm thực bị phá hủy cùng với quá trình truyền khối mạnh mẽ có thể thắng lực hút tĩnh điện của các khoang xâm thực bị phá hủy cùng với quá trình truyền khối mạnh mẽ có thể thắng lực hút tĩnh điện và lực van der Waals giữa các hạt.
(xem Adám và cộng sự 2020)

Tổng hợp hạt nano wollastonite bằng siêu âm

Wollastonite là khoáng vật inosilicat canxi có công thức hóa học CaSiO3. Wollastonite được sử dụng rộng rãi làm thành phần để sản xuất xi măng, thủy tinh, gạch xây và gạch lát trong ngành xây dựng, làm chất trợ dung trong quá trình đúc thép cũng như làm phụ gia trong sản xuất lớp phủ và sơn. Chẳng hạn, wollastonite giúp gia cường, tăng độ cứng, giảm độ hấp thụ dầu và mang lại các cải thiện khác. Để đạt được đặc tính gia cường ưu việt của wollastonite, việc phá kết đám ở quy mô nano và phân tán đồng đều là thiết yếu.
Dordane và Doroodmand (2021) đã chứng minh trong các nghiên cứu của họ rằng phân tán bằng siêu âm là một yếu tố rất quan trọng, ảnh hưởng đáng kể đến kích thước và hình thái của các hạt nano wollastonite. Để đánh giá đóng góp của quá trình xử lý siêu âm đối với sự phân tán nano wollastonite, nhóm nghiên cứu đã tổng hợp các hạt nano wollastonite có và không sử dụng siêu âm công suất cao. Trong các thử nghiệm xử lý siêu âm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng thiết bị xử lý siêu âm UP200H (Hielscher Ultrasonics) với tần số 24 kHz trong 45,0 min. Kết quả phân tán nano bằng siêu âm được thể hiện trong ảnh SEM có độ phân giải cao bên dưới. Ảnh SEM cho thấy rõ mẫu wollastonite trước khi xử lý siêu âm bị kết đám và kết tụ; sau khi xử lý bằng thiết bị siêu âm UP200H, kích thước trung bình của các hạt wollastonite là khoảng 10nm. Nghiên cứu chứng minh rằng phân tán bằng siêu âm là một kỹ thuật đáng tin cậy và hiệu quả để tổng hợp các hạt nano wollastonite. Có thể kiểm soát kích thước hạt nano trung bình bằng cách điều chỉnh các thông số xử lý siêu âm.
(xem Dordane và Doroodmand, 2021)

Ảnh SEM của các hạt nano wollastonite (A) trước và (B) sau khi xử lý siêu âm bằng thiết bị xử lý siêu âm UP200H trong 45,0 min.
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Dordane và Doroodmand, 2021.

Phân tán chất độn nano bằng siêu âm

Xử lý siêu âm là phương pháp linh hoạt để phân tán và phá kết tụ các chất độn nano trong chất lỏng và huyền phù đặc, ví dụ như polyme, nhựa epoxy, chất đóng rắn, nhựa nhiệt dẻo, v.v. Do đó, xử lý siêu âm được sử dụng rộng rãi như một phương pháp phân tán có hiệu quả cao trong nghiên cứu và phát triển cũng như sản xuất công nghiệp.
Zanghellini và cộng sự (2021) đã nghiên cứu kỹ thuật phân tán bằng siêu âm cho chất độn nano trong nhựa epoxy. Ông đã chứng minh rằng xử lý siêu âm có thể phân tán chất độn nano ở nồng độ thấp và cao vào nền polyme.
Khi so sánh các công thức khác nhau, CNT oxy hóa ở hàm lượng 0,5 wt% cho kết quả tốt nhất trong tất cả các mẫu được xử lý siêu âm, với phân bố kích thước của phần lớn các khối kết tụ nằm trong khoảng tương đương với các mẫu được xử lý bằng máy nghiền ba trục, khả năng liên kết tốt với chất đóng rắn và sự hình thành mạng liên thông bên trong hệ phân tán, cho thấy khả năng chống lắng và do đó có độ ổn định lâu dài phù hợp. Lượng chất độn cao hơn cũng cho kết quả tốt tương tự, nhưng đồng thời hình thành các mạng bên trong rõ rệt hơn cũng như các khối kết tụ lớn hơn đôi chút. Ngay cả sợi nano cacbon (CNF) cũng có thể được phân tán thành công bằng xử lý siêu âm. Việc phân tán trực tiếp chất độn nano bằng siêu âm (US) trong các hệ chất đóng rắn mà không bổ sung dung môi đã được thực hiện thành công, do đó có thể xem đây là phương pháp thích hợp để phân tán một cách đơn giản và trực tiếp, có tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp. (xem Zanghellini và cộng sự, 2021)
 

So sánh các chất độn nano khác nhau được phân tán trong chất đóng rắn (xử lý siêu âm–US): (a) 0,5 wt% sợi nano cacbon (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% ống nano cacbon (CNT); (d) 0,5 wt% CNT được phân tán một phần.
(Nghiên cứu và hình ảnh: © Zanghellini và cộng sự, 2021)

Phân tán hạt nano bằng siêu âm – Tính ưu việt đã được khoa học chứng minh

Nhiều nghiên cứu chuyên sâu cho thấy phân tán bằng siêu âm là một trong những kỹ thuật ưu việt để phá kết tụ và phân bố hạt nano ngay cả ở nồng độ cao trong chất lỏng. Ví dụ, Vikash (2020) đã nghiên cứu việc phân tán silica nano ở hàm lượng cao trong chất lỏng nhớt bằng thiết bị phân tán siêu âm UP400S của Hielscher. Trong nghiên cứu của mình, ông kết luận rằng “có thể đạt được sự phân tán ổn định và đồng đều của các hạt nano bằng thiết bị siêu âm ở hàm lượng chất rắn cao trong chất lỏng nhớt.” [Vikash, 2020]

Thiết bị xử lý siêu âm hiệu suất cao để phân tán hạt nano

Hielscher Ultrasonics là nhà cung cấp đáng tin cậy của bạn về thiết bị siêu âm hiệu suất cao, vận hành tin cậy, từ quy mô phòng thí nghiệm và thí điểm đến các hệ thống công nghiệp hoàn chỉnh. Các thiết bị của Hielscher Ultrasonics có phần cứng tinh vi, phần mềm thông minh và tính thân thiện với người dùng vượt trội – được thiết kế và sản xuất tại Đức. Các máy siêu âm bền chắc của Hielscher dùng để phân tán, phá kết tụ, tổng hợp và chức năng hóa hạt nano có thể vận hành 24/7/365 ở toàn tải. Tùy thuộc vào quy trình và cơ sở sản xuất của bạn, các thiết bị siêu âm của chúng tôi có thể vận hành theo mẻ hoặc ở chế độ dòng chảy liên tục trong dây chuyền. Nhiều phụ kiện như đầu sonotrode (đầu dò siêu âm), bộ khuếch đại biên độ, buồng dòng chảy và thiết bị phản ứng luôn có sẵn.
Hãy liên hệ với chúng tôi ngay để nhận thêm thông tin kỹ thuật, các nghiên cứu khoa học, quy trình thực hiện và báo giá cho các hệ thống phân tán nano bằng siêu âm của chúng tôi! Đội ngũ được đào tạo bài bản và có nhiều năm kinh nghiệm của chúng tôi sẽ rất vui được trao đổi với bạn về ứng dụng nano của bạn!

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: