Ultrazvuková deaglomerace nanočástic oxidu křemičitého

Nanočástice oxidu křemičitého, jako je dýmavý oxid křemičitý (např. Aerosil), jsou široce používanou přísadou v různých průmyslových odvětvích. Aby se získala plně funkční nanooxid křemičitý s požadovanými materiálovými vlastnostmi, musí být nanočástice oxidu křemičitého deaglomerovány a distribuovány jako jednotlivě dispergované částice. Ultrazvuková deaglomerace se ukázala jako vysoce účinná a spolehlivá technika rovnoměrné distribuce nanočástic jako jednotlivě dispergovaných částic v suspenzi.

Nanooxid křemičitý – Charakteristika a aplikace

Oxid křemičitý (SiO₂) a zejména nanočástice oxidu křemičitého (Si-NPs) jsou běžnými přísadami v mnoha průmyslových odvětvích. Nanočástice oxidu křemičitého nabízejí velmi velký povrch a vyjadřují jedinečné vlastnosti částic, které se používají v mnoha průmyslových odvětvích pro různé účely. Například jedinečné materiálové vlastnosti nano SiO₂ se používají k vyztužení (nano)kompozitů, betonu a dalších materiálů. Příkladem jsou povlaky na bázi nanooxidu křemičitého, které nabízejí ohnivzdorné vlastnosti, nebo sklo potažené nanooxidem křemičitým, které tak získává antireflexní vlastnosti. Ve stavebnictví a stavebnictví se výpary oxidu křemičitého (mikrosilika) a nanosilika používají jako vysoce pucolánový materiál, který se používá ke zlepšení zpracovatelnosti a mechanických a trvanlivostních vlastností betonu. Když se porovnají výpary oxidu křemičitého a nanooxid křemičitý, nanostrukturovaný SiO₂ Pucolán je v rané fázi aktivnější než křemičitý výpar, protože nanooxid křemičitý nabízí výrazně větší specifický povrch a jemnost. Větší plocha nabízí více míst pro reakci s betonem a přispívá konkrétně ke zlepšení mikrostruktury betonu tím, že působí jako jádro. Propustnost plynů, která je ukazatelem trvanlivosti betonu, se zlepšuje v betonu, který je vyztužen nanooxidem křemičitým, ve srovnání s betonem obsahujícím tradiční křemičitý výpar.
V biomedicíně a vědách o živé přírodě SiO₂ Nanočástice jsou široce zkoumány pro různé aplikace, protože vysoký povrch, vynikající biokompatibilita a laditelná velikost pórů nanooxidu křemičitého nabízí širokou škálu nových aplikací včetně dodávání léčiv a teranostiky.

Graf ukazuje distribuci velikosti částic nanooxidu křemičitého před (zelená křivka) a po (červená křivka) ultrazvukovou disperzí.

Ultrazvuková deaglomerace a disperze nanooxidu křemičitého

Princip činnosti ultrazvukové deaglomerace a disperze je založen na účincích ultrazvukem generované kavitace, vědecky známé jako akustická kavitace. Aplikace vysoce výkonného, nízkofrekvenčního ultrazvuku v kapalinách nebo kalech může způsobit akustickou kavitaci a tím extrémní podmínky, které se vyskytují lokálně jako velmi vysoké tlaky a teploty a mikroproudění kapalinovými tryskami až 280 m/s. Tyto intenzivní fyzikální a mechanické účinky ultrazvukové kavitace způsobují erozi na povrchu částic a také roztříštění částic prostřednictvím srážky mezi částicemi. Díky těmto intenzivním silám ultrazvukové / akustické kavitace je sonikace vysoce účinnou a spolehlivou metodou pro deaglomeraci a disperzi nanočástic auch jako nano-oxid křemičitý, nanotrubice a další nano materiály.

Distribuce velikosti částic ultrazvukem deaglomerovaného nanooxidu křemičitého (pomocí Hielscher UP400St ultrasonikator) ve vodě o obsahu (a) 1 hm%, (b) 2 hm%, (c) 5 hm% a (d) 10 hm% Aerosil 200 v různých časových intervalech.
Studie a grafy: Vikash 2020.

Ultrazvukové zpracování oxidu křemičitého s vysokými koncentracemi pevných látek a ve viskózních kapalinách

Dispergace nanočástic v nízkých koncentracích je již náročná, protože je třeba překonat chemické vazebné síly, jako jsou iontové vazby, kovalentní vazby, vodíkové vazby a van der Waalsovy interakce. Se zvyšující se koncentrací nanočástic, např. nanočástic oxidu křemičitého, se výrazně zvyšuje i chemická interakce mezi nanočásticemi. To znamená, že pro dosažení dobrých, dlouhodobě stabilních disperzních výsledků je nezbytná výkonná disperzní technika. Ultrazvukové dispergátory se používají jako spolehlivá a vysoce účinná disperzní metoda, která je snadno schopna zpracovávat suspenze s vysokou viskozitou a dokonce i pasty s velmi vysokými koncentracemi pevných látek. Schopnost zpracovávat suspenze s vysokým pevným zatížením nanočástic mění ultrazvuku na preferovanou dispergační technologii pro nanomateriály.
Hielscher průmyslové ultrasonicators mohou zpracovat vaši kejdu nebo pastu v kontinuálním in-line reaktoru, pokud může být přiváděn přes čerpadlo.

Ultrazvuková výroba nanofluidů oxidu křemičitého

Modragon et al. (2012) připravili nanofluidy oxidu křemičitého připravené dispergací nanočástic oxidu křemičitého v destilované vodě pomocí sonda typu ultrasonicator UP400S. Aby bylo možné vyrobit stabilní nanofluidy oxidu křemičitého s určitým obsahem pevných látek (tj. 20 %), s nízkou viskozitou a podobným kapalným chováním, spočívají v vysokoenergetickém ošetření ultrazvukovou sondou po dobu 5 minut, zásaditých médiích (hodnoty pH vyšší než 7) a bez přídavku soli. Ultrazvuková disperze vedla k nanofluidům s nízkou viskozitou. Ultrazvukem připravené nanofluidy se chovaly jako kapalina a byly připraveny s 20% pevného zatížení ve velmi krátké době díky dobré disperzi dosažené sonikací.
"Ze všech dostupných disperzních metod byla disperze pomocí ultrazvukových sond potvrzena jako nejúčinnější." (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) dospěli ke stejnému závěru pro deaglomeraci prášku Aerosil a zjistili, že ultrazvuková sonda je nejúčinnějším disperzním systémem díky použité vysoce koncentrované energii.

Ultrasonicators pro deaglomeraci a disperzi nanočástic oxidu křemičitého

Pokud se nanooxid křemičitý používá v průmyslových aplikacích, výzkumu nebo materiálové vědě, musí být suchý křemičitý prášek začleněn do kapalné fáze. Disperze nanooxidu křemičitého vyžaduje spolehlivou a účinnou dispergační techniku, která aplikuje dostatek energie k deaglomeraci jednotlivých částic oxidu křemičitého. Ultrasocognators jsou dobře známé jako výkonné a spolehlivé dispergátory, proto se používají k deaglomeraci a distribuci různých materiálů, jako je oxid křemičitý, nanotrubice, grafen, minerály a mnoho dalších materiálů homogenně do kapalné fáze.

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové dispergátory pro jakýkoli druh homogenizace a deaglomerace aplikací. Pokud jde o výrobu nanodisperzí, je pro získání vysoce výkonných produktů nezbytná přesná kontrola sonikace a spolehlivé ultrazvukové ošetření suspenze nanočástic.
Procesory Hielscher Ultrasonics vám dávají plnou kontrolu nad všemi důležitými parametry zpracování, jako je vstup energie, ultrazvuková intenzita, amplituda, tlak, teplota a retenční čas. Díky tomu můžete upravit parametry na optimalizované podmínky, což následně vede k vysoce kvalitní nanodisperzi, jako jsou nanokřemičité suspenze.
Pro jakýkoli objem / kapacitu: Hielscher nabízí ultrazvukové přístroje a široké portfolio příslušenství. To umožňuje konfiguraci ideálního ultrazvukového systému pro vaši aplikaci a výrobní kapacitu. Od malých lahviček obsahujících několik mililitrů až po velké objemové proudy tisíců galonů za hodinu, Hielscher nabízí vhodné ultrazvukové řešení pro váš proces.
Robustnost: Naše ultrazvukové systémy jsou robustní a spolehlivé. Všechny Hielscher ultrasonicators jsou konstruovány pro provoz 24/7/365 a vyžadují velmi malou údržbu.
Uživatelská přívětivost: Propracovaný software našich ultrazvukových zařízení umožňuje předvýběr a uložení nastavení ultrazvuku pro jednoduchou a spolehlivou sonikaci. Intuitivní menu je snadno přístupné pomocí digitálního barevného dotykového displeje. Dálkové ovládání prohlížeče umožňuje ovládat a monitorovat prostřednictvím libovolného internetového prohlížeče. Automatické zaznamenávání dat ukládá procesní parametry jakéhokoli spuštění ultrazvuku na vestavěnou SD kartu.
Vynikající energetická účinnost: Ve srovnání s alternativními disperzními technologiemi vynikají Hielscher ultrasonicators vynikající energetickou účinností a vynikajícími výsledky v distribuci velikosti částic.

Graf ukazuje významnou výhodu ultrazvukové disperze oxidu křemičitého s Hielscher UIP1000 ve srovnání s ultra-turrax. Ultrazvuku vyžaduje méně energie a dosahuje výrazně menší velikosti částic oxidu křemičitého.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: