纳米颗粒分散技术

由超声空化作用产生的高剪切力，能够打破颗粒团聚体，得到粒径更小、分布更均匀的颗粒。超声技术制备的稳定均质悬浮液，目前已在多个行业中得到广泛应用。探头式超声处理法在纳米材料（碳纳米管、石墨烯、油墨、金属氧化物等）加工领域具备极高的应用效能，超声分散设备也因此成为以下工艺环节的行业标配：

• 分散处理
• 团聚体破除
• 粒径减小
• 颗粒合成与沉淀
• 表面功能化

技术核心原理：声空化效应的微观作用机制

超声波纳米粒子分散技术的核心在于超声空化效应—— 当频率高于 20kHz 的超声波在液体介质中传播时，会产生周期性的压缩和稀疏波，在稀疏相区域形成大量微小的空化气泡；这些气泡在随后的压缩相中迅速崩溃，瞬间释放出极端的能量，从而实现纳米颗粒的解团聚。

1、空化气泡的生命周期：超声波在液体中形成交替的高压区（压缩相）和低压区（稀疏相）。在低压区，液体中的微小气核迅速膨胀形成空化气泡；当气泡达到临界尺寸后，在高压区的作用下发生惯性崩溃，整个过程仅持续数微秒。

2、三种核心分散作用力

• 微射流冲击：空化气泡在靠近颗粒表面处崩溃时，会形成速度高达 1000km/h 的微射流，直接冲击团聚体并将其解离为单个纳米颗粒
• 冲击波破碎：气泡崩溃瞬间释放的冲击波可在局部产生高达数百 MPa 的压力，足以克服纳米颗粒间的范德华力和静电吸引力
• 剪切力场作用：超声波在液体中产生的高频振动形成强烈的局部剪切力场，进一步促进团聚体的解离与均匀分布

3、局部极端条件：气泡崩溃时会在局部产生5000K 以上的高温和数百个大气压的高压，以及高达 10^9 K/s 的冷却速率，这些极端条件不仅能有效分散颗粒，还可能引发特殊的物理化学反应。

关键工艺参数与影响因素

实现理想的纳米级分散效果，需要精准控制以下关键工艺参数，并充分考虑物料特性的影响。

典型应用领域与行业案例

超声波纳米粒子分散技术已在多个行业实现规模化应用，为产品性能提升提供了关键支撑。

1、纳米材料制备与改性

• 石墨烯与碳纳米材料：将石墨烯、碳纳米管等从微米级团聚体分散为纳米级片层或管束，显著提升其在复合材料中的导电性和力学性能。例如，石墨烯水分散液经优化超声处理后，D50 可稳定在 200nm 以下
• 金属与金属氧化物纳米材料：实现纳米银、纳米氧化锌、纳米二氧化硅等在水或有机溶剂中的均匀分散，用于制备高性能催化剂、抗菌材料、光学涂层

2、生物医药与医疗器械

• 纳米药物制剂：制备纳米乳剂、脂质体、纳米混悬剂，提高难溶性药物的溶解度和生物利用度，增强靶向治疗效果
• 生物纳米材料：分散纳米羟基磷灰石等生物陶瓷材料，用于骨组织工程支架的制备

3、精细化工与功能涂料

• 功能涂料：将纳米颜料、纳米填料均匀分散到涂料体系中，提升涂层的耐候性、耐磨性、抗菌性和光学性能
• 印刷油墨：实现纳米级颜料的均匀分散，提高油墨的色彩饱和度和印刷清晰度

4、新能源材料

• 锂电池材料：分散磷酸铁锂、三元材料等正极活性物质，制备均匀的电极浆料，提升锂电池的能量密度和循环寿命
• 燃料电池催化剂：分散铂基纳米催化剂，提高其在电解质中的分散度和催化活性

探头式超声分散仪在纳米颗粒分散领域的性能优于超声清洗槽

在纳米颗粒相关应用中，探头式超声处理的效能与功率显著优于超声清洗槽。超声清洗槽需要数小时才能完成的分散工作，探头式超声分散仪仅需数分钟即可达成。该设备能够制备出稳定性优异的分散体系，所形成的悬浮液可保持数月不发生沉降。

纳米颗粒分散操作须知

• 更高的振幅与更长的运行时间，可将团聚的纳米颗粒分散为更细小的粒径。
• 务必选用尺寸适配的探头。小尺寸探头振幅更高，有助于获得更细小的纳米颗粒粒径，但无法高效处理大体积物料。探头选型既不宜过大，也不能与实际处理体积不匹配。
• 粒径越小的颗粒，在悬浮液中的悬浮时间通常越长。
• 颗粒团聚状态的维持时长，同样取决于其与溶剂及体系中其他化合物的化学相容性。
• 若仅依靠分散工艺无法实现长期防沉降、防团聚的效果，则需考虑添加表面活性剂或其他稳定剂。