Ултразвукова деагломерация на силициеви наночастици

Силициевите наночастици като димящ силициев диоксид (напр. Aerosil) са широко използвана добавка в различни индустрии. За да се получи напълно функционален наносилициев диоксид с желаните характеристики на материала, наночастиците от силициев диоксид трябва да бъдат деагломерирани и разпределени като единично диспергирани частици. Доказано е, че ултразвуковата деагломерация е високоефективна и надеждна техника за равномерно разпределение на наносилициев диоксид като единично диспергирани частици в суспензия.

Наносилициев диоксид – Характеристики и приложения

Силициев диоксид (SiO₂) и особено силициевите наночастици (Si-NP) са често срещани добавки в много индустрии. Наноразмерните силициеви частици предлагат много голяма повърхност и изразяват уникални характеристики на частиците, които се използват в много индустрии за различни цели. Например уникалните свойства на материала на наноразмерния SiO₂ се прилагат с цел подсилване на (нано)композити, бетон и други материали. Примери за това са покрития на основата на наносилициев диоксид, които предлагат огнеупорни свойства или стъкло, покрито с наносилициев диоксид, което придобива антирефлексни свойства. В строителната индустрия силициевият диоксид (микросилициев диоксид) и наносилициевият диоксид се използват като силно пуцоланов материал, който се използва за подобряване на обработваемостта, както и механичните и издръжливи свойства на бетона. Когато се сравняват силициевият дим и наносилициевият диоксид, наноструктурираният SiO₂ Пуцоланът е по-активен в ранен стадий от силициевия диоксид, тъй като наносилициевият диоксид предлага значително по-голяма специфична повърхност и финост. По-голямата повърхност предлага повече места за реакция с бетона и допринася конкретно за подобрена бетонна микроструктура, като действа като ядро. Газопропускливостта, показател за издръжливост на бетона, се подобрява в бетон, който е подсилен с нано-силициев диоксид, в сравнение с бетона, съдържащ традиционния силициев диоксид.
В областта на биомедицината и науките за живота, SiO₂ Наночастиците са широко изследвани за различни приложения, тъй като високата повърхност, отличната биосъвместимост и регулируемият размер на порите на наносилициевия диоксид предлагат широк спектър от нови приложения, включително доставка на лекарства и тераностика.

Диаграмата показва разпределението на размера на частиците на наносилициев диоксид преди (зелена крива) и след (червена крива) ултразвукова дисперсия.

Ултразвукова деагломерация и дисперсия на нано-силициев диоксид

Принципът на работа на ултразвуковата деагломерация и дисперсия се основава на ефектите на ултразвуково генерираната кавитация, научно известна като акустична кавитация. Прилагането на високомощен, нискочестотен ултразвук в течности или суспензии може да причини акустична кавитация и по този начин екстремни условия, които се появяват локално като много високи налягания и температури, и микропоток с течни струи до 280 m/s. Тези интензивни физически и механични ефекти на ултразвуковата кавитация причиняват ерозия на повърхността на частиците, както и разбиване на частици чрез сблъсък между частиците. Тези интензивни сили на ултразвукова/акустична кавитация правят ултразвука високоефективен и надежден метод за деагломерация и дисперсия на наноразмерни частици като нано-силициев диоксид, нанотръби и други наноматериали.

Разпределение по размер на частиците на ултразвуково деагломериран наносилициев диоксид (с помощта на ултразвуковия апарат Hielscher UP400St) във вода от а) 1 тегловна единица %, б) 2 тегловни %, в) 5 тегловни % и г) 10 тегловни % Aerosil 200 на различни интервали от време.
Проучване и графики: Vikash 2020.

Ултразвукова обработка на силициев диоксид с високи концентрации на твърди вещества и във вискозни течности

Диспергирането на наночастици в ниски концентрации вече е предизвикателство, тъй като химичните сили на свързване като йонни връзки, ковалентни връзки, водородни връзки и взаимодействия на Ван дер Ваалс трябва да бъдат преодолени. С увеличаване на концентрацията на наночастици, например нано-силициеви частици, химичното взаимодействие между наночастиците също се увеличава значително. Това означава, че мощната техника на дисперсия е от съществено значение за получаване на добри, дългосрочни стабилни резултати от дисперсията. Ултразвуковите диспергатори се използват като надежден и високоефикасен метод за дисперсия, които лесно могат да обработват суспензии с висок вискозитет и дори пасти с много високи концентрации на твърдо вещество. Способността за обработка на суспензии с високи твърди натоварвания на наночастици превръща ултразвука в предпочитана технология за диспергиране на наноматериали.
Индустриалните ултразвукови апарати на Hielscher могат да обработват вашата суспензия или паста в непрекъснат поточни реактор, стига да може да се захранва чрез помпа.

Ултразвуково производство на силициеви нанофлуиди

Modragon et al. (2012) подготвят силициеви нанофлуиди, приготвени чрез диспергиране на силициеви наночастици в дестилирана вода с помощта на ултразвуков ултразвук тип сонда UP400S. За да се получат стабилни силициеви нанофлуиди с определено съдържание на твърдо вещество (т.е. 20%), с нисък вискозитет и подобно поведение на течността, се състоят във високоенергийна обработка с ултразвукова сонда за 5 минути, основни среди (стойности на рН по-високи от 7) и без добавяне на сол. Ултразвуковата дисперсия води до нанофлуиди с нисък вискозитет. Ултразвуково подготвените нанофлуиди се държаха като течност и бяха приготвени с 20% твърдо натоварване за много кратко време благодарение на добрата дисперсия, постигната с ултразвук.
"От всички налични методи за дисперсия, дисперсията с ултразвукови сонди е потвърдена като най-ефективната." (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) стигат до същото заключение за деагломерация на прах Aerosil, като установяват, че ултразвуковата сонда е най-ефективната дисперсионна система поради силно фокусираната енергия.

Ултразвукови апарати за деагломерация и диспергиране на силициеви наночастици

Когато наносилициевият диоксид се използва в промишлени приложения, изследвания или материалознание, сухият силициев диоксид на прах трябва да бъде включен в течна фаза. Нано-силициевата дисперсия изисква надеждна и ефективна техника на диспергиране, която прилага достатъчно енергия за деагломериране на единичните силициеви частици. Ултразвуковите апарати са добре известни като мощни и надеждни дисперсьори, поради което се използват за деагломериране и разпределение на различни материали като силициев диоксид, нанотръби, графен, минерали и много други материали хомогенно в течна фаза.

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява високоефективни ултразвукови диспергатори за всякакъв вид приложения за хомогенизация и деагломерация. Когато става въпрос за производство на нанодисперсии, прецизният контрол на ултразвука и надеждната ултразвукова обработка на суспензията от наночастици са от съществено значение за получаването на високоефективни продукти.
Процесорите на Hielscher Ultrasonics ви дават пълен контрол върху всички важни параметри на обработката, като входяща енергия, ултразвуков интензитет, амплитуда, налягане, температура и време на задържане. По този начин можете да регулирате параметрите към оптимизирани условия, което впоследствие води до висококачествена нанодисперсия като наносилициеви суспензии.
За всеки обем / капацитет: Hielscher предлага ултразвукови апарати и широко портфолио от аксесоари. Това позволява конфигурирането на идеалната ултразвукова система за вашето приложение и производствен капацитет. От малки флакони, съдържащи няколко милилитра, до потоци с голям обем от хиляди галони на час, Hielscher предлага подходящото ултразвуково решение за вашия процес.
Стабилност: Нашите ултразвукови системи са здрави и надеждни. Всички ултразвукови апарати Hielscher са създадени за работа 24/7/365 и изискват много малко поддръжка.
Удобство за потребителя: Разработеният софтуер на нашите ултразвукови устройства позволява предварителен избор и запазване на настройките за ултразвук за проста и надеждна ултразвук. Интуитивното меню е лесно достъпно чрез цифров цветен сензорен дисплей. Дистанционното управление на браузъра ви позволява да работите и наблюдавате чрез всеки интернет браузър. Автоматичният запис на данни запазва параметрите на процеса на всяко ултразвук, работещо на вградена SD-карта.
Отлична енергийна ефективност: В сравнение с алтернативните дисперсионни технологии, ултразвуковите апарати на Hielscher се отличават с изключителна енергийна ефективност и превъзходни резултати в разпределението на частиците по размера.

Диаграмата показва значителното предимство на ултразвуковата дисперсия на силициев диоксид с UIP1000 на Hielscher в сравнение с ултра-turrax. Ултразвукът изисква по-малко енергия и постига драстично по-малък размер на частиците силициев диоксид.

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: