Ултразвукова деагломерация на наночастици от силициев диоксид

Наночастиците от силициев диоксид, като пирогенния силициев диоксид (напр. Aerosil), са широко използвана добавка в различни отрасли. За да се получи напълно функционален наносилициев диоксид с желаните характеристики на материала, наночастиците от силициев диоксид трябва да бъдат деагломерирани и разпределени като отделни диспергирани частици. Доказано е, че ултразвуковата деагломерация е високоефективна и надеждна техника за равномерно разпределяне на наносилициевия диоксид като отделни диспергирани частици в суспензия.

Наносилициев диоксид – характеристики и приложения

Силициевият диоксид (SiO₂) и особено наночастиците от силициев диоксид (Si-NPs) са обичайни добавки в много отрасли. Частиците от силициев диоксид с наноразмери имат много голяма повърхностна площ и проявяват уникални характеристики, които се използват в много отрасли за различни цели. Например уникалните свойства на материала при наноразмерния SiO₂ се използват за укрепване на (нано-)композити, бетон и други материали. Примери за това са покритията на основата на наносилициев диоксид, които осигуряват огнеустойчивост, или стъклото с покритие от наносилициев диоксид, което по този начин придобива антирефлексни свойства. В строителството микросилициевият диоксид и наносилициевият диоксид се използват като материал с висока пуцоланова активност за подобряване на обработваемостта, както и на механичните свойства и дълготрайността на бетона. При сравнение на микросилициевия диоксид и наносилициевия диоксид наноструктурираният SiO₂ като пуцолан е по-активен в ранния етап от микросилициевия диоксид, тъй като наносилициевият диоксид има значително по-голяма специфична повърхностна площ и по-висока финост. По-голямата повърхностна площ осигурява повече места за реакция с бетона и допринася конкретно за подобряване на микроструктурата на бетона, като действа като зародиш. Газопропускливостта, която е показател за дълготрайността на бетона, се подобрява при бетон, укрепен с наносилициев диоксид, в сравнение с бетон, съдържащ традиционен микросилициев диоксид.
В биомедицината и науките за живота SiO₂ наночастиците се изследват широко за различни приложения, тъй като голямата повърхностна площ, отличната биосъвместимост и регулируемият размер на порите на наносилициевия диоксид позволяват широк спектър от нови приложения, включително доставяне на лекарства и тераностика.

Графиката показва разпределението по размер на частиците от наносилициев диоксид преди (зелена крива) и след (червена крива) ултразвуково диспергиране.

Ултразвукова деагломерация и диспергиране на наносилициев диоксид

Принципът на действие на ултразвуковата деагломерация и диспергиране се основава на ефектите на кавитацията, генерирана чрез ултразвук, известна в науката като акустична кавитация. Прилагането на ултразвук с висока мощност и ниска честота в течности или суспензии може да предизвика акустична кавитация и съответно екстремни условия, които възникват локално като много високи налягания и температури, както и микропотоци с течни струи със скорост до 280m/s. Тези интензивни физични и механични ефекти на ултразвуковата кавитация причиняват ерозия на повърхността на частиците, както и раздробяване на частиците чрез сблъсъци между тях. Тези интензивни сили на ултразвуковата / акустичната кавитация правят ултразвуковата обработка високоефективен и надежден метод за деагломерация и диспергиране на частици с наноразмери, като наносилициев диоксид, нанотръби и други наноматериали.

Разпределение по размер на частиците от ултразвуково деагломериран наносилициев диоксид (с помощта на ултразвуковия уред Hielscher UP400St) във вода при съдържание на Aerosil 200 от (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% и (d) 10 wt% през различни времеви интервали.
Изследване и графики: Vikash 2020.

Ултразвукова обработка на силициев диоксид с високи концентрации на твърда фаза и във вискозни течности

Диспергирането на наночастици при ниски концентрации само по себе си е предизвикателство, тъй като трябва да се преодолеят силите на химично свързване, като йонни връзки, ковалентни връзки, водородни връзки и взаимодействия на Ван дер Ваалс. С увеличаването на концентрацията на наночастиците, например на частиците от наносилициев диоксид, химичното взаимодействие между наночастиците също нараства значително. Това означава, че мощна техника за диспергиране е от съществено значение за получаване на добри, дългосрочно стабилни дисперсии. Ултразвуковите диспергатори се използват като надежден и високоефективен метод за диспергиране, който лесно позволява обработката на суспензии с висок вискозитет и дори на пасти с много високи концентрации на твърда фаза. Възможността за обработка на суспензии с високо съдържание на твърда фаза от наночастици превръща ултразвуковата обработка в предпочитаната технология за диспергиране на наноматериали.
Промишлените ултразвукови уреди на Hielscher могат да обработват вашата суспензия или паста в непрекъснат проточен реактор, стига тя да може да се подава чрез помпа.

Ултразвуково производство на нанофлуиди със силициев диоксид

Modragon и съавт. (2012) приготвят нанофлуиди със силициев диоксид, приготвени чрез диспергиране на наночастици от силициев диоксид в дестилирана вода с помощта на ултразвуковия уред със сонда UP400S. За получаване на стабилни нанофлуиди със силициев диоксид с определено съдържание на твърда фаза (т.е. 20%), с нисък вискозитет и поведение като на течност се прилага високоенергийна обработка с ултразвукова сонда в продължение на 5 минути, в алкална среда (стойности на pH над 7) и без добавяне на сол. Ултразвуковото диспергиране води до получаване на нанофлуиди с нисък вискозитет. Нанофлуидите, приготвени чрез ултразвук, се държат като течност и са приготвени с 20% съдържание на твърда фаза за много кратко време благодарение на доброто диспергиране, постигнато чрез ултразвукова обработка.
„От всички налични методи за диспергиране диспергирането с ултразвукови сонди е потвърдено като най-ефективното.“ (Modragon и съавт., 2012)
Petzold и съавт. (2009) стигат до същото заключение за деагломерацията на прах Aerosil, като установяват, че ултразвуковата сонда е най-ефективната система за диспергиране поради силно фокусираната приложена енергия.

Ултразвукови уреди за деагломерация и диспергиране на наночастици от силициев диоксид

Когато наносилициевият диоксид се използва в промишлени приложения, научни изследвания или материалознанието, сухият прах от силициев диоксид трябва да бъде включен в течна фаза. Диспергирането на наносилициев диоксид изисква надеждна и ефективна техника за диспергиране, която прилага достатъчно енергия за деагломерация на отделните частици от силициев диоксид. Ултразвуковите уреди са добре познати като мощни и надеждни диспергатори и затова се използват за деагломерация и хомогенно разпределяне в течна фаза на различни материали, като силициев диоксид, нанотръби, графен, минерали и много други материали.

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява високопроизводителни ултразвукови диспергатори за всякакви приложения на хомогенизация и деагломерация. При производството на нанодисперсии прецизният контрол на ултразвуковата обработка и надеждната ултразвукова обработка на суспензията от наночастици са от съществено значение за получаване на продукти с високи експлоатационни характеристики.
Процесорите на Hielscher Ultrasonics ви дават пълен контрол върху всички важни параметри на обработката, като внесена енергия, ултразвуков интензитет, амплитуда, налягане, температура и време на престой. По този начин можете да настроите параметрите към оптимизирани условия, което впоследствие води до висококачествени нанодисперсии, като суспензии от наносилициев диоксид.
За всеки обем / капацитет: Hielscher предлага ултразвукови уреди и широк набор от принадлежности. Това позволява конфигуриране 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.
Здравина: Нашите ултразвукови системи са здрави и надеждни. Всички ултразвукови уреди на Hielscher са създадени за работа 24/7/365 и изискват много малко поддръжка.
Лесна употреба: Усъвършенстваният софтуер на нашите ултразвукови устройства позволява предварително избиране и запазване на настройките за ултразвукова обработка, за да бъде тя лесна и надеждна. Интуитивното меню е лесно достъпно чрез цифров цветен сензорен дисплей. Дистанционното управление през браузър ви позволява да управлявате и наблюдавате чрез всеки интернет браузър. Автоматичното записване на данни съхранява параметрите на процеса за всеки цикъл на ултразвукова обработка върху вградена SD карта.
Отлична енергийна ефективност: В сравнение с алтернативните технологии за диспергиране ултразвуковите уреди на Hielscher се отличават с изключителна енергийна ефективност и превъзходни резултати по отношение на разпределението на частиците по размер.

Графиката показва значителното предимство на ултразвуковото диспергиране на силициев диоксид с Hielscher UIP1000 в сравнение с ultra-turrax. Ултразвуковата обработка изисква по-малко енергия и постига драстично по-малък размер на частиците от силициев диоксид.

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