Deaglomeracja i dyspersja materiałów podatnych na uszkodzenia na przykładzie węglowych nanorurek

Grupa WOLFF

Skontaktuj się z naszym inżynierem


KRZYSZTOF WNĘK
deaglomeracja-i-dyspersja-1

Nanorurki węglowe – technologia jutra już dziś:

  • przewodność cieplna wynosząca 6000 W/m∙K ok. 15 razy wyższa niż w przypadku miedzi,
  • rezystancja mniejsza niż dla nanowłókien srebra,
  • wytrzymałość na rozciąganie 100 razy wyższa od stali (Rm ~ 150 GPa),
  • tarcie pomiędzy warstwami nanorurek wielowarstwowych praktycznie nie występuje,
  • nanorurki pozwalają znacząco obniżyć masę różnych konstrukcji i urządzeń.

Nanorurki węglowe to struktury węgla mające postać walców o średnicy kliku nanometrów, które powstały ze zwiniętego grafenu (tj. jednoatomowej warstwy grafitu, która charakteryzuje się unikalnymi właściwościami).  W zależności od liczby zwiniętych warstw wyróżniamy nanorurki jedno- i wielościenne. Ze względu na niezwykłą wytrzymałość mechaniczną oraz wysokie przewodnictwo elektryczne nanorurki węglowe znajdują coraz szersze zastosowanie. Co ciekawe, zależnie od budowy (wielkości średnicy, stopnia skręcenia) nanorurka może się zachowywać jak metal lub półprzewodnik. Obecnie stosuje się je w elektronice, medycynie (jako czujniki biomedyczne czy transportery leków) oraz do produkcji lekkich i wytrzymałych konstrukcji (na przykład roweru o wadze ramy 1 kg). Ze względu na  powyższe właściwości nanorurki stanowią niezwykły, a zarazem cenny materiał.

Aby nanorurki mogły zostać nałożone na daną powierzchnię lub posłużyć do stworzenia materiału konstrukcyjnego, wpierw muszą zostać zdyspergowane w cieczy. W zależności od końcowego zastosowania mogą to być woda, rozpuszczalniki, żywice lub poliole. Problem jednak w tym, że duża powierzchnia właściwa nanorurek sprawia, iż nawet ich niewielka liczba prowadzi do bardzo dużego wzrostu lepkości cieczy (zazwyczaj zawartość nanorurek w zawiesinie nie przekracza 5%). Ponadto, nanorurki w łatwy sposób ulegają splątaniu i tworzą duże aglomeraty, co dodatkowo utrudnia proces ich dyspersji w płynach. Naukowcy przez ostatnie lata pracowali nad nowymi technikami dyspersji nanorurek w cieczach, które zapewniałyby optymalną wydajność, efektywność i jakość produktu końcowego. Testowane są również technologie znane od lat. Niestety rozwiązania te nie zawsze są w stanie podołać trudnym wymogom procesu. Przykładowo proces deaglomeracji i dyspersji często realizuje się w młynach perełkowych, gdzie materiał wsadowy kierowany jest do komory roboczej wypełnionej mielnikami. Te z kolei są wprawiane w ruch poprzez obracający się wał ze specjalnie wyprofilowanymi tarczami lub innymi elementami zwiększającymi burzliwość przepływu. Niestety ta technologia dyspersji nanorurek węglowych obarczona jest wieloma wadami. Przykładowo zastosowanie w procesie mielników o niewielkich rozmiarach pozwala osiągnąć wysoki stopień dyspersji oraz jednocześnie ograniczyć liczbę uszkodzonych nanorurek. Jednak ze względu na dużą lepkość produktu nie jest to możliwe i konieczne jest zastosowanie mielników o większej średnicy, które z kolei powodują liczne uszkodzenia nanorurek, co obniża wartość produktu finalnego.

Dyspersja nanorurek węglowych powinna przebiegać łagodnie przy udziale przede wszystkim sił ścinających. Takie warunki może zapewnić urządzenie przepływowe, w którym materiał wsadowy transportowany jest przez układ specjalnych dysz generujących intensywne turbulencje oraz zjawisko kawitacji. Wszystko to prowadzi do powstania  sił ścinających, które zapewniają deaglomerację oraz dyspersję nanorurek w cieczy przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakości produktu finalnego.

Koreański przykład

Takim tokiem myślenia zapewne kierował się jeden z wiodących koreańskich instytutów, odpowiedzialny za opracowywanie innowacyjnych produktów, które następnie wykorzystywane są w wielu gałęziach przemysłu. Na jego zamówienie firma Netzsch przeprowadziła testy dyspersji wielościennych nanorurek węglowych w wodzie w urządzeniu Omega. Wyniki były tak mocno przekonujące, iż zarząd instytutu zdecydował o zakupie urządzenia. Istotna była wysoka jakość zdyspergowanego produktu – nanorurki nie uległy uszkodzeniu mimo wysokiej wydajności procesu.

Działanie urządzenia dyspergującego Omega opiera się na optymalnym działaniu sił ścinających, burzliwości przepływu i kawitacji. Urządzenie Omega w swej pracy przypomina wysokociśnieniowy homogenizator, z tą różnicą, że stosowane w procesie ciśnienie jest znacząco niższe. Produkt jest pompowany przez urządzenie dyspergujące, składające się kolejno z następujących modułów:

  • filtr, oddzielający od produktu zanieczyszczenia (cząstki stałe, włókna), które mogłyby zablokować lub uszkodzić dyszę,
  • dysza, w której prędkość przepływu zwiększa się do ok. 350 m/s,
  • moduł turbulencji, w którym na produkt działają siły ścinające i kawitacja,
  • moduł zaworów.

W porównaniu do wysokociśnieniowych homogenizatorów, ze względu na wyjątkową konstrukcję urządzenia dyspergującego, ciśnienie w technologii Omega nie przekracza 700 bar. Dodatkowo niższe spadki ciśnienia i mniejsze zapotrzebowanie na chłodzenie pozwalają na oszczędność energii.

Urządzenie Netzsch Omega do deaglomeracji i dyspersji materiałów podatnych na uszkodzenia

Rys. 1. Urządzenie Netzsch Omega do deaglomeracji i dyspersji materiałów podatnych na uszkodzenia

Nie tylko nanorurki

Konstrukcja urządzenia ogranicza zużycie części, a także zapewnia łatwy serwis oraz szybkie czyszczenie w przypadku zmiany produktu. Co ważne, urządzenie Omega nadaje się dla różnych produktów w szerokim zakresie lepkości – ma możliwość nie tylko dyspersji proszku w płynie, ale również tworzenia emulsji. Poniżej przedstawiono inne zastosowania urządzenia Omega.

a) Przygotowanie emulsji kosmetycznej

Na rys. 2. przedstawiono porównanie produkcji emulsji w mieszalniku typu rotor-stator oraz w urządzeniu Omega. Po dwukrotnym przejściu przez urządzenie Omega uzyskujemy wąski rozkład cząstek, który wpływa na trwałość i stabilność emulsji (zwłaszcza przy emulsjach o niskiej lepkości). Na wykresie widać że już po jednym przejściu przez urządzenie Omega uzyskujemy emulsję o wyższej jakości niż przy zastosowaniu dużych sił ścinających w mieszalniku rotor-stator.

b) Przygotowanie dyspersji tlenku tytanu w wodzie (biała farba)

Dla niektórych produktów system Omega jest bardziej efektywny niż młyn perełkowy. Przykładowo w tabeli 1. przedstawiono wyniki dla procesu deaglomeracji i dyspersji tlenku tytanu w poziomym młynie perełkowym LME oraz urządzeniu Omega. Pomimo, iż w obu przypadkach zastosowano ten sam produkt oraz taką samą ilość wody to wydajność urządzenia Omega była 5-krotnie wyższa przy jednocześnie niższym zużyciu energii.

Porównanie produkcji emulsji w mieszalniku typu rotor-stator z produkcją emulsji w urządzeniu Omega
Podsumowanie

Przepływowa technologia zastosowana w urządzeniu Omega w wielu przypadkach pozwala skrócić czas procesu deaglomeracji i dyspersji przy jednoczesnym obniżeniu zużycia energii.
Ponieważ technologia ta funkcjonuje w oparciu o siły ścinające, wywołane burzliwymi turbulencjami i kawitacją, z powodzeniem może być ona stosowana dla produktów delikatnych, których struktura w konwencjonalnych urządzeniach ulegałaby uszkodzeniu.

Porównanie procesu deaglomeracji i dyspersji dla urządzenia Omega 500 oraz młyna perełkowego

Autor artykułu: Anna Drabik, GRUPA WOLFF

SPRAWDŹ OFERTĘ

Realizujemy dostawy zarówno pojedynczych urządzeń, jak również w oparciu o własne biuro projektowe i dział montażowy wykonujemy kompletne instalacje stosowane przy produkcji proszków, granulatów, cieczy i past. Nasze prace obejmują zarówno dobór urządzenia (który może być realizowany w oparciu o testy z rzeczywistym produktem), jak również jego montaż, uruchomienie oraz serwis.

WYŚLIJ ZAPYTANIE

Grupa WOLFF

Skontaktuj się z naszym inżynierem


KRZYSZTOF WNĘK

Imię i nazwisko (wymagane)

Nazwa firmy (wymagane)

E-mail firmowy (wymagane)

Telefon firmowy (wymagane)

Treść wiadomości

Załącz plik

Odbierz rabat -10%
Na szkolenia i konferencję nt. bezpieczeństwa wybuchowego i procesowego (zniknę za 10 sek.)