Ultrazvuková deaglomerace nanočástic oxidu křemičitého

Nanočástice oxidu křemičitého, jako je pyrogenní oxid křemičitý (např. Aerosil), jsou široce používaným aditivem v různých průmyslových odvětvích. Aby bylo možné získat plně funkční nanosiliku s požadovanými materiálovými vlastnostmi, musí být nanočástice oxidu křemičitého deaglomerovány a rozptýleny jako jednotlivě dispergované částice. Ultrazvuková deaglomerace se osvědčila jako vysoce účinná a spolehlivá technika pro rovnoměrné rozptýlení nanosiliky ve formě jednotlivě dispergovaných částic v suspenzi.

Nanosilika – vlastnosti a aplikace

Oxid křemičitý (SiO₂) a zejména nanočástice oxidu křemičitého (Si-NPs) jsou běžnými aditivy v mnoha průmyslových odvětvích. Částice oxidu křemičitého nanometrové velikosti nabízejí velmi velký povrch a vykazují jedinečné vlastnosti částic, které se v mnoha průmyslových odvětvích využívají k různým účelům. Například jedinečné materiálové vlastnosti nanorozměrného SiO₂ se využívají k vyztužení (nano)kompozitů, betonu a dalších materiálů. Příkladem jsou povlaky na bázi nanosiliky, které poskytují ohnivzdorné vlastnosti, nebo sklo potažené nanosilikou, které tím získává antireflexní vlastnosti. Ve stavebnictví se křemičitý úlet (mikrosilika) a nanosilika používají jako vysoce pucolánový materiál, který slouží ke zlepšení zpracovatelnosti a také mechanických vlastností a trvanlivosti betonu. Při srovnání křemičitého úletu a nanosiliky je nanostrukturovaný pucolán SiO₂ v rané fázi aktivnější než křemičitý úlet, protože nanosilika nabízí výrazně větší měrný povrch a jemnost. Větší povrch nabízí více míst pro reakci s betonem a přispívá konkrétně ke zlepšení mikrostruktury betonu tím, že působí jako nukleační zárodek. Plynopropustnost, ukazatel trvanlivosti betonu, je u betonu vyztuženého nanosilikou zlepšena ve srovnání s betonem obsahujícím tradiční křemičitý úlet.
V biomedicíně a vědách o živé přírodě jsou nanočástice SiO₂ široce zkoumány pro různé aplikace, protože velký povrch, vynikající biokompatibilita a laditelná velikost pórů nanosiliky nabízejí širokou škálu nových aplikací včetně cíleného podávání léčiv a teranostiky.

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

Ultrazvuková deaglomerace a disperze nanosiliky

Princip ultrazvukové deaglomerace a disperze je založen na účincích ultrazvukem generované kavitace, vědecky označované jako akustická kavitace. Aplikace vysoce výkonného nízkofrekvenčního ultrazvuku v kapalinách nebo suspenzích může vyvolat akustickou kavitaci, a tím extrémní podmínky, které se lokálně projevují jako velmi vysoké tlaky a teploty, a mikroproudění s kapalinovými proudy o rychlosti až 280m/s. Tyto intenzivní fyzikální a mechanické účinky ultrazvukové kavitace způsobují erozi povrchu částic i tříštění částic při vzájemných srážkách. Díky těmto intenzivním silám ultrazvukové / akustické kavitace je sonikace vysoce účinnou a spolehlivou metodou pro deaglomeraci a disperzi nanočástic, jako jsou nanosilika, nanotrubice a další nanomateriály.

Distribuce velikosti částic ultrazvukem deaglomerované nanosiliky (pomocí ultrazvukového přístroje Hielscher UP400St) ve vodě při koncentraci (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% a (d) 10 wt% Aerosilu 200 v různých časových intervalech.
Studie a grafy: Vikash 2020.

Ultrazvukové zpracování oxidu křemičitého při vysokých koncentracích pevné fáze a ve viskózních kapalinách

Disperze nanočástic při nízkých koncentracích je už sama o sobě náročná, protože je nutné překonat chemické vazebné síly, jako jsou iontové vazby, kovalentní vazby, vodíkové vazby a van der Waalsovy interakce. S rostoucí koncentrací nanočástic, např. nanočástic oxidu křemičitého, se výrazně zvyšuje i chemická interakce mezi nanočásticemi. To znamená, že pro dosažení dobrých, dlouhodobě stabilních výsledků disperze je nezbytná výkonná disperzní technika. Ultrazvukové dispergátory se používají jako spolehlivá a vysoce účinná disperzní metoda, která snadno zvládá zpracování suspenzí s vysokou viskozitou, a dokonce i past s velmi vysokým obsahem pevné fáze. Schopnost zpracovávat suspenze s vysokým obsahem nanočástic činí z ultrazvuku preferovanou disperzní technologii pro nanomateriály.
Průmyslové ultrazvukové přístroje Hielscher mohou zpracovávat Vaši suspenzi nebo pastu v kontinuálním průtokovém reaktoru, pokud ji lze dopravovat čerpadlem.

Ultrazvuková výroba nanokapalin oxidu křemičitého

Modragon et al. (2012) připravili nanokapaliny oxidu křemičitého dispergací nanočástic oxidu křemičitého v destilované vodě pomocí sondového ultrazvukového přístroje UP400S. K výrobě stabilních nanokapalin oxidu křemičitého s určitým obsahem pevné fáze (tj. 20 %), s nízkou viskozitou a chováním podobným kapalině je zapotřebí vysokoenergetické ošetření ultrazvukovou sonotrodou po dobu 5 minut, zásadité prostředí (hodnoty pH vyšší než 7) a žádný přídavek soli. Ultrazvuková disperze vedla k nanokapalinám s nízkou viskozitou. Ultrazvukem připravené nanokapaliny se chovaly jako kapalina a díky dobré disperzi dosažené sonikací byly připraveny s 20 % pevné fáze během velmi krátké doby.
„Ze všech dostupných disperzních metod byla disperze pomocí ultrazvukových sonotrod potvrzena jako nejúčinnější.“ (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) dospěli ke stejnému závěru u deaglomerace prášku Aerosil, když zjistili, že ultrazvuková sonotroda je díky vysoce koncentrované aplikované energii nejúčinnějším disperzním systémem.

Ultrazvukové přístroje pro deaglomeraci a disperzi nanočástic oxidu křemičitého

Při použití nanosiliky v průmyslových aplikacích, výzkumu nebo materiálových vědách musí být suchý prášek oxidu křemičitého zapracován do kapalné fáze. Disperze nanosiliky vyžaduje spolehlivou a účinnou disperzní techniku, která dodá dostatek energie k deaglomeraci jednotlivých částic oxidu křemičitého. Ultrazvukové přístroje jsou dobře známé jako výkonné a spolehlivé dispergátory, a proto se používají k deaglomeraci a homogennímu rozptýlení různých materiálů, jako jsou oxid křemičitý, nanotrubice, grafen, minerály a mnoho dalších materiálů, do kapalné fáze.

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné ultrazvukové dispergátory pro všechny druhy homogenizačních a deaglomeračních aplikací. Při výrobě nanodisperzí jsou pro získání vysoce výkonných produktů nezbytné přesné řízení sonikace a spolehlivé ultrazvukové zpracování suspenze nanočástic.
Procesory Hielscher Ultrasonics Vám poskytují plnou kontrolu nad všemi důležitými procesními parametry, jako jsou příkon energie, intenzita ultrazvuku, amplituda, tlak, teplota a doba zdržení. Díky tomu můžete parametry nastavit na optimalizované podmínky, což následně vede k vysoce kvalitním nanodisperzím, jako jsou suspenze nanosiliky.
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 velkoobjemové proudy o tisících galonů za hodinu nabízí Hielscher vhodné ultrazvukové řešení pro Váš proces.
Robustnost: Naše ultrazvukové systémy jsou robustní a spolehlivé. Všechny ultrazvukové přístroje Hielscher jsou konstruovány pro provoz 24/7/365 a vyžadují jen velmi malou údržbu.
Uživatelská přívětivost: Propracovaný software našich ultrazvukových zařízení umožňuje předvolbu a ukládání nastavení sonikace pro jednoduchou a spolehlivou sonikaci. Intuitivní menu je snadno přístupné prostřednictvím digitálního barevného dotykového displeje. Dálkové ovládání přes prohlížeč Vám umožňuje obsluhu a monitorování prostřednictvím libovolného internetového prohlížeče. Automatický záznam dat ukládá procesní parametry každého běhu sonikace na vestavěnou SD kartu.
Vynikající energetická účinnost: Ve srovnání s alternativními disperzními technologiemi vynikají ultrazvukové přístroje Hielscher mimořádnou energetickou účinností a lepšími výsledky v distribuci velikosti částic.

Graf ukazuje významnou výhodu ultrazvukové disperze oxidu křemičitého pomocí přístroje Hielscher UIP1000 ve srovnání s ultra-turraxem. Sonikace vyžaduje méně energie a dosahuje drasticky menší velikosti částic oxidu křemičitého.

Níže uvedená tabulka poskytuje přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů: