Силициевите наночастици като фумед силициев диоксид (например Aerosil) са широко използвана добавка в различни индустрии. За да се получи напълно функционална наносилица с желаните характеристики на материала, наночастиците силициев диоксид трябва да бъдат деагломерирани и разпределени като еднодисперсни частици. Ултразвуковата агломерация е доказано, че е високоефективна и надеждна техника за равномерно разпределение на наносилица като еднодиспергирани частици в суспензия.

Наносилица – Характеристики и приложения

Силициев диоксид (SiO₂) и особено наночастиците от силициевия диоксид (Si-NPs) са често срещани добавки в много индустрии. Частиците силициев диоксид с наноразмери предлагат много голяма повърхност и изразяват уникални характеристики на частиците, които се използват в много индустрии за различни цели. Например уникалните свойства на₂ се прилагат с цел укрепване на (нано)композити, бетон и други материали. Примери за това са покрития на основата на наносилика, които предлагат огнеупорни свойства или стъкло, покрито с наносилица, което по този начин придобива антиотраповители свойства. В строителната и строителната промишленост силициевият дим (microsilica) и наносилица се използват като високо pozzolanic материал, който се използва за подобряване на работните качества, както и механичните и трайност на бетона. При сравняване на силициев дим и наносилица, нано-структурираните siO₂ pozzolan е по-активен в ранен стадий от силициевия дим, тъй като наносилица предлага значително по-голяма специфична повърхност и финост. По-голямата площ предлага повече обекти за реагиране с бетона и допринася специално за подобрена бетонна микроструктура, действайки като ядро. Газоразливната способност, показател за дълготрайност на бетона, се подобрява в бетон, който се стопля с наносилика в сравнение с бетон, съдържащ традиционни силициев дим.
В биомедицината и науката за живота, SiO₂ наночастиците са широко изследвани за различни приложения, тъй като високата повърхност, отличната биособност и регулируем размер на порите на наносилица предлага широка гама от новаторски приложения, включително доставка на наркотици и теранозитика.

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

Ултразвукова деагломерация и дисперсия на нано-силициев диоксид

Принципът на работа на ултразвуковите агломерати и дисперсия се основава на ефектите на ултразвуково генерирана кавитация, научно известна като акустична кавитация. Прилагането на високомощен, нискочестотен ултразвук в течности или шлусти може да предизвика акустична кавитация и по този начин екстремни условия, които се срещат локално като много високи налягания и температури, и микропоточно с течни струи до 280m / s. Тези интензивни физични и механични ефекти на ултразвукова кавитация причиняват ерозия на повърхността на частиците, както и разбиване на частици чрез сблъсък между частиците. Тези интензивни сили на ултразвукова / акустична кавитация правят ултразвук високо ефективен и надежден метод за деагломерация и дисперсия на частици с наноразмери като наносилика, нано-силициев диоксид и други наноматериали.

Разпределение на размера на частиците на ултразвуково деагломериран нано-силициев диоксид (използване на Hielscher UP400St ултразвук) във вода с (a) 1 тегляни%, б) 2 тегловни %, (в) 5 тегловни % и (d) 10 те тегловни % Aerosil 200 през различни интервали от време.
Проучване и графики: Викаш 2020.

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

Диспергирането на наночастици при ниски концентрации вече е предизвикателство, тъй като трябва да се преодолеят химическите свързващи сили като йонни връзки, ковалентни връзки, водородни връзки и взаимодействието на ван дер Ваалс. С нарастващата концентрация на наночастици, например частици на нано-силициев диоксид, химичното взаимодействие между наночастиците също се увеличава значително. Това означава, че е от съществено значение да се получи добра, дългосрочна стабилна дисперсия. Ултразвукови диспергатори се използват като надежден и високо ефикасен метод на дисперсия, които лесно могат да обработват шлайфи с висок вискозитет и дори пасти с много високи твърди концентрации. Способността за обработка на суспензии с високи твърди натоварвания от наночастици превръща ултразвука в предпочитаната технология за диспергиране за наноматериали.
Hielscher промишлени ultrasonicators могат да обработват каша или паста в непрекъснат в-линия реактор, стига да може да се хранят чрез помпа.

Ултразвукова продукция на силициеви нанофлуиди

Modragon et al. (2012) приготвени силициев диоксид нанофлуиди, приготвени чрез диспергиране на Ултразвуков тип сонда UP400S. За да се произвеждат стабилни силициеви нанофлуиди с определено съдържание на твърдо вещество (т.е. 20%), с нисък вискозитет и подобно поведение на течността, се състои в високоенергийно третиране с ултразвукова сонда за 5 минути, основни среди (стойности на рН по-високи от 7) и без сол. Ултразвуковата дисперсия доведе до нанофлуиди с нисък вискозитет. Ултразвуково приготвените нанофлуиди се държаха като течност и се приготвят с 20% от твърдото натоварване в рамките на много кратко време благодарение на добрата дисперсия, постигната с ултразвук.
"От всички налични методи на дисперсия, дисперсията с ултразвукови сонди е потвърдена като най-ефективната." (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) стигна до същото заключение за деагломерация на Aerosil прахообразно намиране, че ултразвуковата сонда е най-ефективната дисперсионна система поради силно фокусираната енергия приложена.

Ултразвукови апарати за деагломерация и дисперсия на силициеви наночастици

Когато нано-силициев диоксид се използва в промишлени приложения, научни изследвания или материалознание, сухият прах от силика им се включва в течна фаза. Дисперсията на нано-силициев диоксид изисква надеждна и ефективна диспергираща техника, която прилага достатъчно енергия, за да деагломерира единичните частици силициев диоксид. Ultrasonicators са добре известни като мощни и надеждни диспергатори, затова се използват за деагломериране и разпространение на различни материали като силициев диоксид, нанотръби, графен, минерали и много други материали хомогенно в течна фаза.

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява високопроизводителни ултразвукови диспергатори за всякакъв вид хомогенизиране и деагломерация приложения. Когато става въпрос за производство на нанодисперсии, прецизният контрол на ултразвука и надеждната ултразвукова обработка на суспензията с наночастици са от съществено значение, за да се получат продукти с висока производителност.
Hielscher Ultrasonics' процесори ви дават пълен контрол над всички важни параметри на обработка, като например входяща енергия, ултразвуков интензитет, амплитуда, налягане, температура и време на задържане. По този начин можете да настроите параметрите към оптимизирани условия, което впоследствие води до висококачествена нано-дисперсия, като например шлайвички на наносиликата.
За всеки обем/капацитет: Hielscher предлага ultrasonicators и широка гама от аксесоари. Това позволява конфигурирането на идеалната ултразвукова система за вашето приложение и производствен капацитет. От малки флакони, съдържащи няколко милилитра, до големи обеми на хиляди галони на час, Hielscher предлага подходящо ултразвуково решение за вашия процес.
Стабилност: Нашите ултразвукови системи са здрави и надеждни. Всички Hielscher ultrasonicators са построени за 24/ 7 / 365 работа и изискват много малко поддръжка.
Удобството: Разработен софтуер на нашите ултразвукови устройства позволява предварителна селекция и спестяване на настройки 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 да следите през всеки интернет браузър. Автоматичното записване на данни запазва параметрите на процеса на всеки звуков процес на вградена SD-карта.
Отлична енергийна ефективност: В сравнение с алтернативните технологии за дисперсия, ултразвуковите апарати Hielscher превъзхождат с изключителна енергийна ефективност и отлични резултати при разпределението на размера на частиците.

Диаграмата показва значителното предимство на ултразвуковата дисперсия на силициев диоксид с Hielscher UIP1000 в сравнение с ултра-туракс. Ultrasonication изисква по-малко енергия и постига драстично по-малки частици размер на силициев диоксид.

Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators: