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

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

Phân tán hạt nano đáng tin cậy bằng siêu âm

Nhiều ngành công nghiệp yêu cầu chuẩn bị huyền phù, là các hạt nano được tải. Hạt nano là chất rắn có kích thước hạt nhỏ hơn 100nm. Do kích thước hạt nhỏ, hạt nano thể hiện các đặc tính độc đáo như độ bền vượt trội, độ cứng, tính năng quang học, độ dẻo, khả năng chống tia cực tím, độ dẫn điện, đặc tính điện và điện từ (EM), chống ăn mòn, chống trầy xước và các đặc tính đặc biệt khác.
Siêu âm cường độ cao, tần số thấp tạo ra sự xâm thực âm thanh dữ dội, được đặc trưng bởi các điều kiện khắc nghiệt như lực cắt, chênh lệch áp suất và nhiệt độ rất cao, và nhiễu loạn. Các lực xâm thực này làm tăng tốc các hạt gây ra va chạm giữa các hạt và do đó làm vỡ các hạt. Do đó, thu được các vật liệu có cấu trúc nano có đường cong kích thước hạt hẹp và phân bố đồng đều.
Thiết bị phân tán siêu âm thích hợp để xử lý bất kỳ loại vật liệu nano nào trong nước và dung môi hữu cơ, với độ nhớt từ thấp đến rất cao.

Phân tán siêu âm của ống nano carbon

Ultrasonic dispersers are widely used for the purpose of dispersing carbon nanotubes (CNTs). Sonication is a reliable method to detangle and disperse single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as well as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). For instance, in order to produce a highly conductive thermoplastic polymer, high-purity (> 95%) Nanocyl® 3100 (MWCNTs; external diameter 9.5 nm; purity 95 +%) have been ultrasonically dispersed with the Hielscher UP200S for 30min. at room temperature. The ultrasonically dispersed Nanocyl® 3100 MWCNTs at a concentration of 1% w/w in the epoxy resin showed superior conductivity of approx. 1.5 × 10-2 S /m.

Phân tán siêu âm của các hạt nano niken

Các hạt nano niken có thể được sản xuất thành công thông qua tổng hợp khử hydrazine siêu âm. Con đường tổng hợp khử hydrazine cho phép điều chế hạt nano niken kim loại tinh khiết có hình cầu bằng cách khử hóa học niken clorua với hydrazine. Nhóm nghiên cứu của Adám đã chứng minh rằng siêu âm – Sử dụng phương thức Hielscher UP200HT (200W, 26kHz) – có thể duy trì kích thước tinh thể sơ cấp trung bình (7–8 nm) độc lập với nhiệt độ áp dụng, trong khi việc sử dụng thời gian siêu âm cường độ cao và ngắn hơn có thể làm giảm đường kính solvodynamic của các hạt thứ cấp, tổng hợp từ 710 nm xuống 190 nm trong trường hợp không có bất kỳ chất hoạt động bề mặt nào. Độ axit và hoạt động xúc tác cao nhất được đo đối với các hạt nano được điều chế bằng cách xử lý nhẹ (công suất đầu ra 30 W) và siêu âm liên tục. Hành vi xúc tác của các hạt nano đã được thử nghiệm trong phản ứng ghép nối chéo Suzuki-Miyaura trên năm mẫu được điều chế theo cách thông thường cũng như siêu âm. Các chất xúc tác được chuẩn bị bằng siêu âm thường hoạt động tốt hơn và hoạt động xúc tác cao nhất được đo trên các hạt nano được chuẩn bị dưới quá trình siêu âm liên tục công suất thấp (30 W).
Xử lý siêu âm có tác động quan trọng đến xu hướng kết tụ của các hạt nano: ảnh hưởng phân mảnh của các khoảng trống xâm thực bị phá hủy với sự truyền khối mạnh có thể vượt qua tĩnh điện hấp dẫn của các khoảng trống xâm thực bị phá hủy với sự truyền khối lượng mạnh mẽ có thể vượt qua lực tĩnh điện và van der Waals hấp dẫn giữa các hạt.
(xem Adám et al. 2020)

Tổng hợp siêu âm của các hạt nano Wollastonite

Wollastonite là một khoáng chất canxi inosilicat có công thức hóa học CaSiO3 Wollastonite được sử dụng rộng rãi làm thành phần để sản xuất xi măng, thủy tinh, gạch và ngói trong ngành xây dựng, làm chất trợ dung trong đúc thép cũng như một chất phụ gia trong sản xuất lớp phủ và sơn. Ví dụ, wollastonite cung cấp gia cố, làm cứng, hấp thụ dầu thấp và các cải tiến khác. Để có được các đặc tính gia cố tuyệt vời của wollastonite, quá trình khử kết tụ quy mô nano và phân tán đồng đều là điều cần thiết.
Dordane và Doroodmand (2021) đã chứng minh trong các nghiên cứu của họ rằng phân tán siêu âm là một yếu tố rất quan trọng làm giảm đáng kể kích thước và hình thái của các hạt nano wollastonite. Để đánh giá sự đóng góp của quá trình siêu âm đối với sự phân tán nano wollastonite, nhóm nghiên cứu đã tổng hợp các hạt nano wollastonite có và không có ứng dụng siêu âm công suất cao. Đối với các thử nghiệm siêu âm của họ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng bộ xử lý siêu âm UP200H (Hielscher Ultrasonics) với tần số 24 kHz trong 45.0 phút. Kết quả của phân tán nano siêu âm được thể hiện trong SEM độ phân giải cao bên dưới. Hình ảnh SEM cho thấy rõ ràng rằng mẫu wollastonite trước khi xử lý siêu âm được kết tụ và tổng hợp; sau khi siêu âm bằng máy siêu âm UP200H, kích thước trung bình của các hạt wollastonite là khoảng 10nm. Nghiên cứu chứng minh rằng phân tán siêu âm là một kỹ thuật đáng tin cậy và hiệu quả để tổng hợp các hạt nano wollastonite. Kích thước hạt nano trung bình có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các thông số xử lý siêu âm.
(xem Dordane và Doroodmand, 2021)

Hình ảnh SEM của các hạt nano wollastonite (A) trước và (B) sau khi siêu âm bằng cách sử dụng Bộ xử lý siêu âm UP200H trong 45.0 phút.
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Dordane và Doroodmand, 2021.

Phân tán nanofiller siêu âm

Siêu âm là một phương pháp linh hoạt để phân tán và khử kết tụ các chất độn nano trong chất lỏng và bùn, ví dụ như polyme, nhựa epoxy, chất làm cứng, nhựa nhiệt dẻo, v.v. Do đó, sonification được sử dụng rộng rãi như một phương pháp phân tán hiệu quả cao trong R&D và sản xuất công nghiệp.
Zanghellini và cộng sự (2021) đã điều tra kỹ thuật phân tán siêu âm cho chất độn nano trong nhựa epoxy. Ông có thể chứng minh rằng quá trình siêu âm có thể phân tán nồng độ nhỏ và cao của chất độn nano thành một ma trận polyme.
So sánh các công thức khác nhau, CNT oxy hóa 0,5% wt% cho thấy kết quả tốt nhất của tất cả các mẫu sonicated, cho thấy sự phân bố kích thước của hầu hết các chất kết tụ trong một phạm vi tương đương với ba mẫu do nhà máy sản xuất cuộn, liên kết tốt với chất làm cứng, sự hình thành của một mạng lưới thấm bên trong sự phân tán, hướng tới sự ổn định chống lại sự lắng đọng và do đó ổn định lâu dài thích hợp. Lượng chất độn cao hơn cho thấy kết quả tốt tương tự, nhưng cũng hình thành các mạng nội bộ rõ rệt hơn cũng như các chất kết tụ lớn hơn một chút. Ngay cả các sợi nano carbon (CNF) cũng có thể được phân tán thành công thông qua sonication. Sự phân tán trực tiếp các chất độn nano của Hoa Kỳ trong các hệ thống làm cứng mà không cần dung môi bổ sung đã đạt được thành công, và do đó có thể được coi là một phương pháp áp dụng cho sự phân tán đơn giản và dễ hiểu với tiềm năng sử dụng công nghiệp. (xem Zanghellini và cộng sự, 2021)
 

So sánh các chất độn nano khác nhau phân tán trong chất làm cứng (siêu âm-Mỹ): (a) 0,5% trọng lượng sợi nano carbon (CNF); (b) 0,5% trọng lượng CNToxi; (c) 0,5% trọng lượng ống nano carbon (CNT); (d) 0,5% trọng lượng CNT bán phân tán.
(Nghiên cứu và hình ảnh: © Zanghellini et al., 2021)

Siêu âm phân tán các hạt nano – Đã được khoa học chứng minh về sự vượt trội

Nghiên cứu cho thấy trong nhiều nghiên cứu phức tạp rằng phân tán siêu âm là một trong những kỹ thuật vượt trội để giải kết tụ và phân phối các hạt nano ngay cả ở nồng độ cao trong chất lỏng. Ví dụ, Vikash (2020) đã điều tra sự phân tán của tải trọng cao nano-silica trong chất lỏng nhớt bằng cách sử dụng máy phân tán siêu âm Hielscher UP400S. Trong nghiên cứu của mình, ông đi đến kết luận rằng "sự phân tán ổn định và đồng đều của các hạt nano có thể đạt được bằng cách sử dụng thiết bị siêu âm hóa ở tải trọng chất rắn cao trong chất lỏng nhớt." [Vikash, 2020]

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

Hielscher Ultrasonics là nhà cung cấp đáng tin cậy của bạn cho các thiết bị siêu âm hiệu suất cao đáng tin cậy từ phòng thí nghiệm và thí điểm đến hệ thống công nghiệp đầy đủ. Siêu âm Hielscher’ Các thiết bị có phần cứng tinh vi, phần mềm thông minh và thân thiện với người dùng vượt trội – được thiết kế và sản xuất tại Đức. Các máy siêu âm mạnh mẽ của Hielscher để phân tán, giải kết tụ, tổng hợp hạt nano và chức năng hóa có thể hoạt động 24/7/365 dưới đầy tải. Tùy thuộc vào quy trình và cơ sở sản xuất của bạn, máy siêu âm của chúng tôi có thể được chạy ở chế độ hàng loạt hoặc liên tục. Các phụ kiện khác nhau như sonotrodes (đầu dò siêu âm), còi tăng áp, tế bào dòng chảy và lò phản ứng đều có sẵn.
Liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ để nhận thêm thông tin kỹ thuật, nghiên cứu khoa học, giao thức và báo giá cho hệ thống phân tán nano siêu âm của chúng tôi! Đội ngũ nhân viên được đào tạo bài bản, giàu kinh nghiệm lâu năm của chúng tôi sẽ rất vui khi thảo luận về ứng dụng nano của bạn với bạn!

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: