超声分散 Hielscher 纳米材料

一、为什么纳米材料需要分散？

纳米材料的粒径通常在1到100纳米之间。这个尺度下，材料的比表面积非常大，表面原子占比很高，导致表面能急剧升高。从热力学角度来说，高表面能状态是不稳定的，系统倾向于通过降低表面积来减少能量。

于是，纳米颗粒之间会产生强烈的范德华力——一种分子间的吸引力。同时，颗粒表面还可能带有电荷，形成静电引力；此外还有毛细管力、机械咬合力等多种作用力。这些力加在一起，让纳米颗粒像磁铁一样互相吸引、抱团

团聚带来的直接后果是：纳米材料的本征性能无法充分发挥。石墨烯的优异导电性、碳纳米管的超高强度、纳米催化剂的活性位点——这些只有在单分散状态下才能真正体现出来。团聚体会严重掩盖这些特性，导致测试数据失真，影响材料性能的准确评估，也影响不同批次之间实验的重复性

二、传统纳米分散方法有哪些？

传统的纳米材料分散方法主要有以下几种：

机械搅拌是最简单的方法，主要借助分散溶剂的剪切应力来初步打散纳米材料。但搅拌产生的剪切力有限，对于纳米尺度的团聚体，其分散效果比较有限

高速剪切利用8000rpm以上的高速机械搅拌产生高强剪切力。虽然分散效果比普通搅拌好，但在分散过程中会导致大量空气裹入体系中，在高速剪切力的作用下，使整个料浆呈泡沫状

球磨通过磨球之间以及磨球与缸体间的相互滚撞来实现分散。球磨的缺点是研磨过程中球与球、球与筒之间的撞击和研磨会产生磨损，磨损的物质进入料浆中成为杂质，影响浆料的纯度。此外，球磨还可能改变粉体的物理化学性质

相比之下，超声分散被认为是一种更高效的分散手段

三、超声分散为什么适合纳米材料？

超声分散的核心是空化效应

设备工作时，换能器将电能转换成高频机械振动（通常在20kHz左右），通过探头传递到液体中。超声波在液体里传播时，会产生交替的高压区和低压区。在低压区，液体内部会形成大量微小的气泡（空化泡）；当高压区到来时，这些气泡会在微秒甚至纳秒级的时间内猛烈崩溃

气泡崩溃的瞬间，会释放出相当可观的能量——局部温度可达5000K以上，压力约1000个大气压，同时产生强烈的冲击波和微射流。这种极端物理环境产生的巨大剪切力与冲击力，足以克服纳米颗粒之间的范德华力与静电引力，有效拆解团聚体

与单纯依靠剪切力的机械搅拌相比，超声的空化能量直接作用于团聚体内部，解聚效率更高，且能避免因过度机械力导致的颗粒晶体结构破坏。超声波分散是一种强度很高的物理分散手段，利用超声空化时产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流，弱化微粒间的相互作用能，可有效防止微粒的团聚

超声分散带来的改善主要体现在几个方面：

提高均匀性。超声分散能让纳米颗粒在液体介质中实现更均匀的分布。在制备纳米复合材料时，填料的均匀分散是避免应力集中、实现性能协同增强的关键。

提升稳定性。超声处理不仅能实现初始分散，还能帮助颗粒表面与分散剂充分作用，通过空间位阻或静电排斥机制提升悬浮液的抗再团聚能力。

保障性能评估准确性。纳米材料的许多独特性能只有在单分散状态下才能充分展现。超声分散确保了性能测试的对象是材料本身，而非团聚体。

四、适用于哪些纳米材料？

超声分散适用于多种类型的纳米材料：

石墨烯方面，超声是石墨烯液相剥离和分散的常用手段。通过高强度超声，可以将石墨层分离成单层或少数层石墨烯，并在液体介质中实现均匀分散

碳纳米管方面，超声可以有效解开碳纳米管的缠绕和团聚。Hielscher有一份针对多壁碳纳米管（MWCNT）超声分散的标准操作流程，使用UP400ST在脉冲模式下对MWCNT进行分散处理。超声空化作用可以使CNT团聚体解缠，改善其在基体中的分散

纳米氧化物方面，如纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米二氧化钛等，超声分散可以有效打破团聚。超声波作用于纳米SiO₂溶液时，可产生大量微气核空化泡，空化泡崩溃形成高压强

纳米金刚石方面，超声是分散纳米金刚石的重要工具。纳米金刚石由于高表面能和广泛的氢键网络，容易形成紧密结合的团聚体，探头式超声可以快速破坏团聚体，获得稳定的单分散纳米金刚石浆料

其他纳米材料还包括纳米磁铁矿（Fe₃O₄）的沉淀和分散、纳米纤维素晶体的分散等

五、Hielscher超声设备如何支持纳米材料研发？

Hielscher是一家总部位于德国泰尔托的超声技术企业，其设备在纳米材料分散领域有比较多的应用。

在实验室设备方面，Hielscher的UP系列覆盖了从50W到400W的多种型号。UP400ST（400W，24kHz） 是纳米材料分散中常用的型号。以多壁碳纳米管分散为例，UP400ST搭配22mm直径探头（S24022），在100%振幅、脉冲模式（工作7秒/暂停3秒）下进行处理，配合冰浴控温确保温度不超过40°C，可以实现碳纳米管的高质量分散。UP400ST还可以用于纳米金刚石、石墨烯等材料的分散处理。UP200St（200W，26kHz）则适合处理量较小的场景。

连续流设备方面，UP400ST可以搭配流通池使用，实现连续流处理。这对于需要处理较大体积样品或希望实现连续化操作的应用场景比较实用。

从实验室到生产的衔接方面，Hielscher的产品线从实验室UP系列延伸到工业UIP系列。实验室阶段开发的工艺参数——振幅、单位体积能量、处理时间等——可以直接迁移到工业设备上。UIP系列工业设备（如UIP1000hdT）可用于规模化生产。设备支持批次处理和连续流处理两种模式。