Ultrazvučna deaglomeracija nanočestica silicijevog dioksida

Nanočestice silicijevog dioksida, kao što je pirogeni silicijev dioksid (npr. Aerosil), široko su korišten aditiv u raznim industrijama. Da bi se dobio potpuno funkcionalan nanosilika željenih karakteristika materijala, nanočestice silicijevog dioksida moraju se deaglomerirati i raspodijeliti kao pojedinačno dispergirane čestice. Pokazalo se da je ultrazvučna deaglomeracija vrlo učinkovita i pouzdana tehnika za ravnomjernu raspodjelu nanosilike kao pojedinačno dispergiranih čestica u suspenziji.

Nanosilika – karakteristike i primjene

Silicijev dioksid (SiO₂) i posebno nanočestice silicijevog dioksida (Si-NPs) uobičajeni su aditivi u mnogim industrijama. Čestice silicijevog dioksida nanometarske veličine imaju vrlo veliku površinu i pokazuju jedinstvene karakteristike čestica, koje se koriste u mnogim industrijama u različite svrhe. Na primjer, jedinstvena svojstva materijala nanometarskog SiO₂ primjenjuju se za ojačavanje (nano)kompozita, betona i drugih materijala. Primjeri su premazi na bazi nanosilike koji nude vatrootporna svojstva ili staklo premazano nanosilikom koje time dobiva antirefleksna svojstva. U građevinarstvu se silikatna prašina (mikrosilika) i nanosilika koriste kao visokopucolanski materijal koji se upotrebljava za poboljšanje obradivosti te mehaničkih svojstava i svojstava trajnosti betona. Kada se uspoređuju silikatna prašina i nanosilika, nanostrukturirani SiO₂ pucolan je aktivniji u ranoj fazi od silikatne prašine jer nanosilika ima znatno veću specifičnu površinu i finoću. Veća površina nudi više mjesta za reakciju s betonom i posebno doprinosi poboljšanoj mikrostrukturi betona djelujući kao jezgra. Propusnost za plinove, pokazatelj trajnosti betona, poboljšana je u betonu ojačanom nanosilikom u usporedbi s betonom koji sadrži tradicionalnu silikatnu prašinu.
U biomedicini i znanostima o životu nanočestice SiO₂ intenzivno se istražuju za različite primjene jer velika površina, odlična biokompatibilnost i podesiva veličina pora nanosilike nude širok spektar novih primjena, uključujući isporuku lijekova i teranostiku.

Grafikon prikazuje raspodjelu veličine čestica nanosilike prije (zelena krivulja) i nakon (crvena krivulja) ultrazvučne disperzije.

Ultrazvučna deaglomeracija i disperzija nanosilike

Princip rada ultrazvučne deaglomeracije i disperzije temelji se na učincima ultrazvučno generirane kavitacije, znanstveno poznate kao akustična kavitacija. Primjena ultrazvuka velike snage i niske frekvencije u tekućinama ili suspenzijama može izazvati akustičnu kavitaciju i time ekstremne uvjete, koji se lokalno javljaju kao vrlo visoki tlakovi i temperature, te mikrostrujanje s mlazevima tekućine brzine do 280m/s. Ti intenzivni fizički i mehanički učinci ultrazvučne kavitacije uzrokuju eroziju na površini čestica, kao i drobljenje čestica sudarima među česticama. Te intenzivne sile ultrazvučne / akustične kavitacije čine ultrazvučnu obradu (sonikaciju) vrlo učinkovitom i pouzdanom metodom za deaglomeraciju i disperziju čestica nanometarske veličine, kao što su nanosilika, nanocijevi i drugi nanomaterijali.

Raspodjela veličine čestica ultrazvučno deaglomerirane nanosilike (upotrebom ultrazvučnog uređaja Hielscher UP400St) u vodi s (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% i (d) 10 wt% Aerosila 200 u različitim vremenskim intervalima.
Studija i grafikoni: Vikash 2020.

Ultrazvučna obrada silicijevog dioksida s visokim koncentracijama čvrstih tvari i u viskoznim tekućinama

Dispergiranje nanočestica pri niskim koncentracijama već je izazovno jer se moraju savladati sile hemijskih veza, kao što su jonske veze, kovalentne veze, vodikove veze i van der Waals interakcije. S povećanjem koncentracije nanočestica, npr. čestica nanosilike, znatno se povećava i hemijska interakcija među nanočesticama. To znači da je snažna tehnika disperzije neophodna za postizanje dobrih, dugoročno stabilnih rezultata disperzije. Ultrazvučni disperzatori koriste se kao pouzdana i vrlo efikasna metoda disperzije koja može s lakoćom obrađivati suspenzije visokih viskoziteta, pa čak i paste s vrlo visokim koncentracijama čvrstih tvari. Mogućnost obrade suspenzija s visokim udjelom čvrstih nanočestica čini ultrazvučnu obradu poželjnom tehnologijom disperzije za nanomaterijale.
Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji mogu obrađivati vašu suspenziju ili pastu u kontinuiranom reaktoru u liniji sve dok se može dovoditi pumpom.

Ultrazvučna proizvodnja nanofluida silicijevog dioksida

Modragon i sur. (2012) pripremili su nanofluide silicijevog dioksida dispergiranjem nanočestica silicijevog dioksida u destiliranoj vodi pomoću ultrazvučnog uređaja sa sondom UP400S. Za proizvodnju stabilnih nanofluida silicijevog dioksida s određenim udjelom čvrstih tvari (tj. 20%), niske viskoznosti i ponašanja nalik tekućini, potrebni su visokoenergetska obrada ultrazvučnom sondom tijekom 5 minuta, bazični mediji (pH vrijednosti veće od 7) i bez dodavanja soli. Ultrazvučna disperzija rezultirala je nanofluidima niske viskoznosti. Ultrazvučno pripremljeni nanofluidi ponašali su se poput tekućine i pripremljeni su s 20% udjela čvrstih tvari u vrlo kratkom vremenu zahvaljujući dobroj disperziji postignutoj ultrazvučnom obradom.
„Od svih dostupnih metoda disperzije, disperzija ultrazvučnim sondama potvrđena je kao najučinkovitija.“ (Modragon et al., 2012)
Petzold i sur. (2009) došli su do istog zaključka za deaglomeraciju Aerosil praha, utvrdivši da je ultrazvučna sonda najučinkovitiji sustav disperzije zbog visoko fokusirane primijenjene energije.

Ultrazvučni uređaji za deaglomeraciju i disperziju nanočestica silicijevog dioksida

Kada se nanosilika koristi u industrijskim primjenama, istraživanju ili znanosti o materijalima, suhi prah silicijevog dioksida mora se ugraditi u tekuću fazu. Disperzija nanosilike zahtijeva pouzdanu i učinkovitu tehniku dispergiranja koja primjenjuje dovoljno energije za deaglomeraciju pojedinačnih čestica silicijevog dioksida. Ultrazvučni uređaji poznati su kao snažni i pouzdani disperzatori, pa se stoga koriste za deaglomeraciju i homogenu raspodjelu raznih materijala kao što su silicijev dioksid, nanocijevi, grafen, minerali i mnogi drugi materijali u tekućoj fazi.

Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira visokoučinkovite ultrazvučne disperzatore za sve vrste primjena homogenizacije i deaglomeracije. Kada je riječ o proizvodnji nanodisperzija, precizna kontrola ultrazvučne obrade i pouzdana ultrazvučna obrada suspenzije nanočestica neophodne su za dobivanje visokoučinkovitih proizvoda.
Procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics daju vam potpunu kontrolu nad svim važnim procesnim parametrima kao što su unos energije, ultrazvučni intenzitet, amplituda, tlak, temperatura i vrijeme zadržavanja. Tako parametre možete prilagoditi optimalnim uvjetima, što posljedično dovodi do visokokvalitetnih nanodisperzija kao što su suspenzije nanosilike.
Za bilo koji volumen / kapacitet: Hielscher nudi ultrazvučne uređaje i širok portfelj pribora. To omogućuje konfiguraciju idealnog ultrazvučnog sustava za vašu primjenu i proizvodni kapacitet. Od malih bočica s nekoliko mililitara do tokova velikog volumena od više tisuća galona na sat, Hielscher nudi odgovarajuće ultrazvučno rješenje za vaš proces.
Robusnost: Naši ultrazvučni sistemi su robusni i pouzdani. Svi Hielscher ultrazvučni uređaji izrađeni su za rad 24/7/365 i zahtijevaju vrlo malo održavanja.
Jednostavnost korištenja: Razrađeni softver naših ultrazvučnih uređaja omogućuje prethodni odabir i spremanje postavki ultrazvučne obrade za jednostavnu i pouzdanu ultrazvučnu obradu. Intuitivnom izborniku lako se pristupa putem digitalnog zaslona osjetljivog na dodir u boji. Daljinsko upravljanje putem preglednika omogućuje vam rad i nadzor putem bilo kojeg internetskog preglednika. Automatsko bilježenje podataka sprema procesne parametre svakog ciklusa ultrazvučne obrade na ugrađenu SD karticu.
Izvrsna energetska učinkovitost: U poređenju s alternativnim tehnologijama disperzije, Hielscher ultrazvučni uređaji ističu se izvanrednom energetskom efikasnošću i superiornim rezultatima u raspodjeli veličine čestica.

Grafikon prikazuje znatnu prednost ultrazvučne disperzije silicijevog dioksida uređajem Hielscher UIP1000 u usporedbi s ultra-turraxom. Ultrazvučna obrada zahtijeva manje energije i postiže drastično manju veličinu čestica silicijevog dioksida.

Tablica u nastavku daje okvirnu naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: