Производство наноматериалов

This content was provided by Hielscher Ultrasonics GmbH

Наноматериалы стали неотъемлемой частью многочисленных продуктов, в частности, кремов для загара, напыляемых материалов или композитных пластиков. Ультразвуковая кавитация используется для диспергирования наночастиц в такие жидкости, как вода, нефть, растворители или смолы.

Применение ультразвука в наноматериалах даёт многочисленные эффекты. Самым очевидным из них является диспергирование материалов в жидкости для того, чтобы разрушить агломераты частиц. Другим процессом является применение ультразвука во время синтеза или осаждения частиц. Обычно это приводит к уменьшению размера частиц и к увеличению однородности их размеров. Ультразвуковая кавитация также улучшает перенос материала на поверхностях частиц. Данный эффект может быть использован для улучшения поверхностной функционализации материалов, имеющих высокую площадь удельной поверхности.

Диспергирование и сокращение размеров наноматериалов

Light scattering intensity… интенсивность рассеяния света, анатаз, before ultrasonication – до ультразвуковой обработки, after…- после ультразвуковой обработки, size – размер, intensity - интенсивность Наноматериалы, например, окислы металлов, наноглины или углеродные нанотрубки имеют тенденцию к агломерации, когда примешиваются к жидкости. Требуются эффективные средства деагломерации и диспергирования для того, чтобы преодолеть связующие силы, действующие после смачивания порошка. Ультразвуковое разрушение структур агломератов в водных и неводных суспензиях позволяет использовать весь потенциал наноразмерных материалов. Исследования, проведённые при различных дисперсиях агломератов наночастиц с различным содержанием твёрдых веществ, продемонстрировали значительные преимущества ультразвука по сравнению с прочими технологиями - роторно-статорные смесители (например, ultra turrax), поршневые гомогенизаторы, или методы мокрого размола (например, в шаровых мельницах или в коллоидных мельницах). Ультразвуковые системы компании Hielscher могут работать с довольно высокими концентрациями твёрдых веществ. Например, было выяснено, что у кремнезёма скорость разрушения не зависит от концентрации твёрдых веществ, даже когда она доходит до 50% по весу. Ультразвук может быть применён для диспергирования маточных смесей, имеющих высокую концентрацию твёрдых веществ – для переработки жидкостей, имеющих низкую и высокую вязкость. Это делает ультразвук хорошим технологическим решением для обработки красок и покрытий, в основе которых лежат различные среды (вода, смола, нефть).

Кликните здесь, чтобы более подробно ознакомиться с ультразвуковым диспергированием углеродных нанотрубок.

Ультразвуковая кавитация

Диспергирование и деагломерация, полученные при помощи ультразвуковой обработки, являются результатом ультразвуковой кавитации. При обработке жидкостей ультразвуком звуковые волны, которые распространяются в жидкости, приводят к чередованию циклов высокого и низкого давления. При этом механическое напряжение воздействует на притягивающие электростатические силы между отдельными частицами. Ультразвуковая кавитация в жидкостях вызывает у жидкостей возникновение струй, обладающих высокой скоростью, до 1000 км/час (примерно 600 м/час). Такие струи давят на жидкость при высоком давлении между частицами и отделяют их друг от друга. Более мелкие частицы ускоряются вместе со струями жидкости и сталкиваются друг с другом на высоких скоростях. Это делает ультразвук эффективным средством для диспергирования, а также для измельчения микронных и субмикронных частиц.

Синтез/осаждение частиц с помощью ультразвука

Наночастицы могут генерироваться снизу вверх синтезом или осаждением. Сонохимия относится к одним из самых первых методов, которые стали применяться для приготовления наноразмерных соединений. В своей оригинальной работе Суслик (Suslick) обрабатывал ультразвуком Fe(CO)₅, имеющую вид либо чистой жидкости без примесей, либо декалинового раствора, и получал аморфные наночастицы железа размером 10-20 нм. Обычно, перенасыщенная смесь начинает образовывать твёрдые частицы материала, имеющего высокую концентрацию. Обработка ультразвуком улучшает смешивание исходных материалов и увеличивает массоперенос на поверхности частиц. Это ведёт к уменьшению размера частиц и к увеличению его однородности.

Кликните здесь, чтобы более подробно ознакомиться с осаждением наноматериалов при помощи ультразвука.

Поверхностная функционализация с помощью ультразвука

Многие наноматериалы, такие как окислы металлов, чернила для принтеров и порошкообразные красящие пигменты или наполнители для высококачественных покрытий, требуют поверхностной функционализации. Для того чтобы функционализировать всю поверхность каждой отдельной частицы, требуется хороший метод диспергирования. При диспергировании частицы обычно окружаются граничным слоем молекул, притягиваемых к их поверхности. Для того чтобы новые функциональные группы достигли поверхности частиц, этот граничный слой должен быть разрушен или удалён. Струи жидкости, образовавшиеся в результате ультразвуковой кавитации, могут достигать скоростей до 1000 км/час. Такой напор позволяет преодолевать силы притяжения и переносит функциональные молекулы на поверхность частиц. В сонохимии данный эффект используется для улучшения показателей диспергированных катализаторов.

Ультразвуковая обработка перед измерением размера частиц

Ультразвуковая обработка проб улучшает точность ваших измерений размеров или морфологии частиц. Компактная конструкция нового аппарата SonoStep заключает в себе ультразвуковую обработку, перемешивание и подачу пробы с помощью насоса. Данный аппарат лёгок в эксплуатации, и может быть использован для подачи обработанных ультразвуком проб на аналитические устройства, такие как анализаторы размеров частиц. Интенсивная обработка ультразвуком помогает диспергировать агломерированные частицы, обеспечивая при этом получение более согласующихся результатов. Кликните здесь для более подробного ознакомления.

Ультразвуковая обработка в лабораторном и промышленном масштабе

Предлагаются ультразвуковые технологические установки и проточные кюветы для деагломерирования и диспергирования на лабораторном и производственном уровне. Промышленные системы могут быть легко модифицированы под поточную работу. Для проведения исследовательских работ и для технологических разработок мы рекомендуем применять аппарат UIP1000hd (1000 Вт).

Компания Hielscher предлагает широкий спектр ультразвуковых устройств и аксессуаров для эффективного диспергирования наноматериалов, например, в краске, чернилах и покрытиях.

• Компактные лабораторные устройства мощностью до 400 Вт
  Эти устройства в основном используются для подготовки проб или для составления исходной технико-экономической оценки применения материала и сдаются в аренду.
• Ультразвуковые технологические установки на 500 Вт, 1000 Вт и 2000 Вт, такие как UIP1000hd в комплекте с проточной кюветой и различными звуковыми сигналами и волноводами могут обрабатывать потоки больших объёмов.
  Такие устройства применяются в оптимизации параметров (например, амплитуды, рабочего давления, расхода и т.д.) в лабораторном масштабе или в масштабе опытного производства.
• Ультразвуковые технологические установки на 2 кВт, 4 кВт, 10 кВт и 16 кВт и группы из нескольких таких установок могут обрабатывать потоки производственных объёмов практически на любом уровне.

В аренду на хороших условиях предлагается настольное лабораторное оборудование для проведения технологических испытаний. Результаты таких испытаний масштабируются линейно в соответствии с уровнем производства, снижая тем самым риск и затраты, связанные с технологической разработкой.