تفكيك تكتلات جسيمات السيليكا النانوية بالموجات فوق الصوتية

تُستخدم جسيمات السيليكا النانوية، مثل السيليكا المدخنة (مثل Aerosil)، على نطاق واسع بوصفها مادة مضافة في صناعات مختلفة. وللحصول على سيليكا نانوية تؤدي وظائفها بالكامل وتتمتع بخصائص المادة المطلوبة، يجب تفكيك تكتلات جسيمات السيليكا النانوية وتوزيعها على هيئة جسيمات منفردة مشتتة. وقد ثبت أن تفكيك التكتلات بالموجات فوق الصوتية تقنية عالية الكفاءة وموثوقة لتوزيع السيليكا النانوية توزيعًا متجانسًا على هيئة جسيمات منفردة مشتتة في معلق.

السيليكا النانوية – الخصائص والتطبيقات

السيليكا (SiO₂)، ولا سيما جسيمات السيليكا النانوية (Si-NPs)، من المواد المضافة الشائعة في صناعات عديدة. وتوفر جسيمات السيليكا ذات الحجم النانوي مساحة سطح كبيرة جدًا، وتُظهر خصائص جسيمية فريدة تُستغل في صناعات عديدة لأغراض مختلفة. فعلى سبيل المثال، تُستخدم الخصائص الفريدة لمادة SiO₂ ذات الحجم النانوي لتقوية المواد المركبة (بما فيها النانوية)، والخرسانة، وغيرها من المواد. ومن أمثلة ذلك الطلاءات القائمة على السيليكا النانوية التي توفر خصائص مقاومة للحريق، أو الزجاج المطلي بالسيليكا النانوية الذي يكتسب بذلك خصائص مضادة للانعكاس. وفي قطاع البناء والتشييد، تُستخدم أبخرة السيليكا (السيليكا الميكروية) والسيليكا النانوية بوصفها مواد ذات نشاط بوزولاني مرتفع لتحسين قابلية تشغيل الخرسانة وخصائصها الميكانيكية ومتانتها. وعند مقارنة أبخرة السيليكا بالسيليكا النانوية، فإن بوزولان SiO₂ ذا البنية النانوية يكون أكثر نشاطًا في المرحلة المبكرة من أبخرة السيليكا، لأن السيليكا النانوية توفر مساحة سطح نوعية أكبر بكثير ودرجة نعومة أعلى. وتوفر مساحة السطح الأكبر مواقع أكثر للتفاعل مع الخرسانة، وتسهم تحديدًا في تحسين البنية المجهرية للخرسانة من خلال العمل كنواة. وتتحسن نفاذية الغاز، التي تُعد مؤشرًا على متانة الخرسانة، في الخرسانة المقواة بالسيليكا النانوية مقارنةً بالخرسانة المحتوية على أبخرة السيليكا التقليدية.
وفي الطب الحيوي وعلوم الحياة، تُدرس جسيمات SiO₂ النانوية على نطاق واسع لتطبيقات مختلفة، لأن مساحة السطح الكبيرة للسيليكا النانوية، وتوافقها الحيوي الممتاز، وحجم مسامها القابل للضبط تتيح مجموعة واسعة من التطبيقات المبتكرة، بما فيها توصيل الأدوية والجمع بين التشخيص والعلاج.

يوضح المخطط توزيع أحجام جسيمات السيليكا النانوية قبل التشتيت بالموجات فوق الصوتية (المنحنى الأخضر) وبعده (المنحنى الأحمر).

تفكيك تكتلات السيليكا النانوية وتشتيتها بالموجات فوق الصوتية

يعتمد مبدأ عمل تفكيك التكتلات والتشتيت بالموجات فوق الصوتية على تأثيرات التجويف المتولد بالموجات فوق الصوتية، والمعروف علميًا باسم التجويف الصوتي. ويمكن أن يؤدي تطبيق موجات فوق صوتية عالية القدرة ومنخفضة التردد في السوائل أو المعلقات إلى إحداث التجويف الصوتي، ومن ثم ظروف شديدة تظهر موضعيًا على هيئة ضغوط ودرجات حرارة مرتفعة جدًا، وتدفقات مجهرية تتضمن نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280m/s. وتتسبب هذه التأثيرات الفيزيائية والميكانيكية الشديدة للتجويف بالموجات فوق الصوتية في تآكل سطح الجسيمات، وكذلك في تحطم الجسيمات نتيجة تصادمها بعضها ببعض. وتجعل هذه القوى الشديدة للتجويف بالموجات فوق الصوتية / التجويف الصوتي المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة عالية الكفاءة وموثوقة لتفكيك تكتلات الجسيمات ذات الحجم النانوي وتشتيتها، مثل السيليكا النانوية والأنابيب النانوية وغيرها من المواد النانوية.

توزيع أحجام جسيمات السيليكا النانوية التي فُككت تكتلاتها بالموجات فوق الصوتية (باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية Hielscher UP400St) في الماء، عند تراكيز Aerosil 200 البالغة (a) 1 wt%، و(b) 2 wt%، و(c) 5 wt%، و(d) 10 wt%، على فترات زمنية مختلفة.
الدراسة والرسوم البيانية: Vikash 2020.

معالجة السيليكا بالموجات فوق الصوتية عند تراكيز عالية من المواد الصلبة وفي السوائل اللزجة

يمثل تشتيت الجسيمات النانوية عند تراكيز منخفضة تحديًا بحد ذاته، إذ يجب التغلب على قوى الروابط الكيميائية، مثل الروابط الأيونية والروابط التساهمية والروابط الهيدروجينية وتآثرات فان دير فالس. ومع زيادة تركيز الجسيمات النانوية، مثل جسيمات السيليكا النانوية، يزداد التآثر الكيميائي بين الجسيمات النانوية زيادة كبيرة أيضًا. وهذا يعني أن تقنية تشتيت قوية ضرورية للحصول على نتائج تشتيت جيدة ومستقرة على المدى الطويل. وتُستخدم أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية بوصفها وسيلة تشتيت موثوقة وعالية الفعالية، قادرة بسهولة على معالجة المعلقات عالية اللزوجة، بل وحتى المعاجين ذات التراكيز المرتفعة جدًا من المواد الصلبة. وتجعل القدرة على معالجة المعلقات ذات المحتوى المرتفع من الجسيمات النانوية الصلبة المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية التشتيت المفضلة للمواد النانوية.
يمكن لأجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher معالجة المعلق أو المعجون في مفاعل مستمر ضمن خط المعالجة، ما دام يمكن تغذيته بواسطة مضخة.

إنتاج موائع السيليكا النانوية بالموجات فوق الصوتية

حضّر Modragon وآخرون (2012) موائع السيليكا النانوية عن طريق تشتيت جسيمات السيليكا النانوية في الماء المقطر باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذي المسبار UP400S. ولإنتاج موائع سيليكا نانوية مستقرة ذات محتوى صلب محدد (أي 20%)، ولزوجة منخفضة وسلوك شبيه بسلوك السوائل، تتمثل ظروف التحضير في معالجة عالية الطاقة باستخدام مسبار للموجات فوق الصوتية لمدة 5 دقائق، وفي أوساط قاعدية (قيم pH أعلى من 7)، ومن دون إضافة أملاح. وأنتج التشتيت بالموجات فوق الصوتية موائع نانوية منخفضة اللزوجة. وأظهرت الموائع النانوية المحضرة بالموجات فوق الصوتية سلوكًا شبيهًا بسلوك السوائل، وحُضرت بمحتوى صلب قدره 20% خلال وقت قصير جدًا بفضل التشتيت الجيد المتحقق بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية.
«من بين جميع طرق التشتيت المتاحة، تأكد أن التشتيت باستخدام مسابير الموجات فوق الصوتية هو الأكثر فعالية.» (Modragon وآخرون، 2012)
توصل Petzold وآخرون (2009) إلى الاستنتاج نفسه بشأن تفكيك تكتلات مسحوق Aerosil، إذ وجدوا أن مسبار الموجات فوق الصوتية هو نظام التشتيت الأكثر فعالية بسبب الطاقة المطبقة شديدة التركيز.

أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتفكيك تكتلات جسيمات السيليكا النانوية وتشتيتها

عند استخدام السيليكا النانوية في التطبيقات الصناعية أو البحوث أو علم المواد، يجب إدماج مسحوق السيليكا الجاف في طور سائل. ويتطلب تشتيت السيليكا النانوية تقنية تشتيت موثوقة وفعالة تطبق طاقة كافية لتفكيك تكتلات جسيمات السيليكا وفصلها إلى جسيمات منفردة. وتُعرف أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بأنها أجهزة تشتيت قوية وموثوقة، ولذلك تُستخدم لتفكيك تكتلات مواد مختلفة، مثل السيليكا والأنابيب النانوية والغرافين والمعادن وغيرها من المواد العديدة، وتوزيعها بصورة متجانسة في طور سائل.

تصمم Hielscher Ultrasonics أجهزة تشتيت عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية وتصنعها وتوزعها لجميع أنواع تطبيقات التجانس وتفكيك التكتلات. وعند إنتاج مشتتات نانوية، يُعد التحكم الدقيق في المعالجة بالموجات فوق الصوتية والمعالجة الموثوقة لمعلق الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية ضروريين للحصول على منتجات عالية الأداء.
تتيح لك أجهزة المعالجة من Hielscher Ultrasonics التحكم الكامل في جميع معلمات المعالجة المهمة، مثل الطاقة المدخلة، وشدة الموجات فوق الصوتية، والسعة، والضغط، ودرجة الحرارة، وزمن المكوث. وبذلك يمكنك ضبط المعلمات للوصول إلى ظروف مثلى، مما يؤدي لاحقًا إلى مشتتات نانوية عالية الجودة، مثل معلقات السيليكا النانوية.
لأي حجم / سعة: توفر Hielscher أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية ومجموعة واسعة من الملحقات. ويتيح ذلك تهيئة نظام الموجات فوق الصوتية المثالي لتطبيقك وطاقتك الإنتاجية. فمن القوارير الصغيرة التي تحتوي على بضعة مليلترات إلى التدفقات كبيرة الحجم البالغة آلاف الغالونات في الساعة، توفر Hielscher الحل المناسب بالموجات فوق الصوتية لعمليتك.
المتانة: أنظمتنا للموجات فوق الصوتية متينة وموثوقة. وجميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مصممة للعمل على مدار 24/7/365، وتتطلب قدرًا ضئيلًا جدًا من الصيانة.
سهولة الاستخدام: تتيح البرمجيات المتطورة لأجهزتنا التي تعمل بالموجات فوق الصوتية تحديد إعدادات المعالجة بالموجات فوق الصوتية مسبقًا وحفظها لإجراء معالجة بسيطة وموثوقة. ويمكن الوصول بسهولة إلى القائمة البديهية عبر شاشة لمس رقمية ملونة. ويتيح لك التحكم عن بُعد عبر المتصفح التشغيل والمراقبة باستخدام أي متصفح إنترنت. ويحفظ التسجيل التلقائي للبيانات معلمات العملية لكل دورة معالجة بالموجات فوق الصوتية على بطاقة SD مدمجة.
كفاءة ممتازة في استخدام الطاقة: عند مقارنتها بتقنيات التشتيت البديلة، تتميز أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بكفاءة فائقة في استخدام الطاقة ونتائج متفوقة في توزيع أحجام الجسيمات.

يوضح المخطط الميزة الكبيرة لتشتيت السيليكا بالموجات فوق الصوتية باستخدام Hielscher UIP1000 مقارنةً بجهاز ultra-turrax. وتتطلب المعالجة بالموجات فوق الصوتية طاقة أقل وتحقق أحجامًا أصغر بكثير لجسيمات السيليكا.

يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزتنا التي تعمل بالموجات فوق الصوتية: