Hochintensiver Ultraschall in der Nanotechnologie

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Diese Veränderung der Partikeleigenschaften entsteht durch die Veränderung der elektronischen Eigenschaften, welche durch die Teilchengröße beeinflusst wird. Durch die Partikelgrößenreduktion wird die Partikeloberfläche vergrößert, wodurch ein höherer Prozentsatz von Atomen mit anderen Substanzen reagieren kann. Die Oberflächenaktivität ist ein Schlüsselaspekt beim Einsatz von Nanomaterialien. Agglomeration und Aggregation blockieren die Oberfläche und verhindern somit den Kontakt und dementsprechend die Reaktion mit anderen Stoffen. Daher ist es nur mit fein bzw. einzeln dispergierten Partikeln möglich, das volle Potential eines Materials zu nutzen.

Folglich reduziert eine gute Dispersion die Menge der benötigten Nanomaterialien, um die gleichen Effekte (wie Stabilität, Farbintensität, etc.) zu erzielen. Da die meisten Nanomaterialien relativ teuer sind, ist ein effizienter Einsatz von Nanomaterialien für die Kommerzialisierung von Produktformulierungen äußerst wichtig. Heutzutage werden die meisten Nanomaterialien im Trockenprozessen hergestellt. Daraus resultiert, dass sie bei der Weiterverarbeitung in flüssige Formulierungen eingemischt werden müssen.

Die meisten Nanopartikel agglomerieren jedoch sobald sie nass werden. Insbesondere Carbon Nanotubes (CNTs) sind äußerst kohäsiv, wodurch ein Dispergieren in Flüssigkeiten, etwa Wasser, Ethanol, Öl, Polymeren oder Epoxydharzen, erschwert wird. Daher ist eine effektive Methode des Desagglomerierens und Dispergierens notwendig, um die Bindungskräfte nach dem Durchfeuchten der mikro- und nanoskaligen Pulver zu brechen.

Ultraschall-Dispergierung und -Vermahlung

Beim Einmischen von Pulvern in Flüssigkeiten, beispielsweise bei der Herstellung von Farben, Lacken, Beschichtungen ebenso wie von Kosmetika, Medikamenten und Lebensmitteln, werden Agglomerate zerschlagen und die Partikel gleichmäßig in das flüssige Medium gemischt. Da Nanopartikel aufgrund ihrer großen Oberfläche über hohe Bindungskräfte (Wasserstoffbrückenbindung, van-der-Waals-Kräfte) verfügen, ist für eine feine Nano-Dispersion eine leistungsstarke Dispersionsmethode unabkömmlich. Die hoch-intensiven Scherkräfte von Hochleistungs-Ultraschall sind häufig das einzig zuverlässige Dispersionsverfahren, mit welchem Nanopartikel desagglomeriert und dispergiert werden können. Diese Anwendung ist auch bei Medien mit hoher Viskosität, so beispielsweise bei Epoxydharzen, praktikabel.

Beim ultraschall-gestützten Nassmahlen und Feinmahlen werden harte Partikel, wie beispielsweise Keramik, Aluminium-Trihydrate oder Metalloxide, aufgrund der interpartikulären Kollision zerkleinert, wodurch sehr feine, auch hochkonzentrierte Slurries hergestellt werden können. Besonders bei Nanomaterialien zeigen sich die hohen Scherkräfte des Ultraschalls als ein beachtlicher Vorteil, da Nanopartikel in Flüssigkeiten zu starker Agglomeration neigen.

Zur Veranschaulichung nehmen wir ein Prozessbeispiel: Nano-Silica ist ein häufig genutztes Additiv, welches etwa bei der Herstellung von Farben, Lacken, Beschichtungen, Kompositen, Halbleitern oder Sensoren zum Einsatz kommt. Für die meisten Formulierungen muss das Nano-Silica in eine Flüssigkeit bzw. Slurry eingebracht werden. Allerdings ist Silica nach dem Durchfeuchten nur schwer zu dispergieren. Zudem gelangen bei herkömmlichen Dispergierverfahren häufig zahlreiche Mikroblasen in die Produktformulierung. Dies beeinträchtigt die Qualität der Formulierungen, da die gewünschten Eigenschaften nicht oder nur eingeschränkt erzielt werden.

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