Deagglomerering af silicananopartikler med ultralyd

Silicananopartikler såsom pyrogen silica (f.eks. Aerosil) er et udbredt tilsætningsstof i forskellige industrier. For at opnå fuldt funktionel nanosilica med de ønskede materialeegenskaber skal silicananopartiklerne deagglomereres og fordeles som enkeltvis dispergerede partikler. Deagglomerering med ultralyd har vist sig at være en yderst effektiv og pålidelig teknik til at fordele nanosilica ensartet som enkeltvis dispergerede partikler i en suspension.

Nanosilica – egenskaber og anvendelser

Silica (SiO₂) og især silicananopartikler (Si-NPs) er almindelige tilsætningsstoffer i mange industrier. Silicapartikler i nanostørrelse har et meget stort overfladeareal og udviser unikke partikelegenskaber, som udnyttes i mange industrier til forskellige formål. For eksempel anvendes de unikke materialeegenskaber ved SiO₂ i nanostørrelse til at forstærke (nano-)kompositter, beton og andre materialer. Eksempler er nanosilicabaserede belægninger, der giver brandsikre egenskaber, eller glas belagt med nanosilica, som derved får antirefleksive egenskaber. I bygge- og anlægsbranchen anvendes silicastøv (mikrosilica) og nanosilica som stærkt puzzolane materialer til at forbedre betonens bearbejdelighed samt dens mekaniske egenskaber og holdbarhed. Når silicastøv og nanosilica sammenlignes, er det nanostrukturerede SiO₂ som puzzolan mere aktivt i den tidlige fase end silicastøv, da nanosilica har et væsentligt større specifikt overfladeareal og større finhed. Det større overfladeareal giver flere steder, hvor der kan ske reaktion med betonen, og bidrager specifikt til en forbedret mikrostruktur i betonen ved at fungere som kim. Gaspermeabiliteten, som er en indikator for betonens holdbarhed, forbedres i beton, der er forstærket med nanosilica, sammenlignet med beton, der indeholder traditionelt silicastøv.
Inden for biomedicin og biovidenskab undersøges SiO₂ i form af nanopartikler i vid udstrækning til forskellige anvendelser, da nanosilicas store overfladeareal, fremragende biokompatibilitet og justerbare porestørrelse giver en bred vifte af nye anvendelsesmuligheder, herunder lægemiddellevering og teranostik.

Diagrammet viser partikelstørrelsesfordelingen for nanosilica før (grøn kurve) og efter (rød kurve) dispergering med ultralyd.

Deagglomerering og dispergering af nanosilica med ultralyd

Funktionsprincippet for deagglomerering og dispergering med ultralyd er baseret på virkningerne af kavitation frembragt med ultralyd, videnskabeligt kendt som akustisk kavitation. Anvendelse af ultralyd med høj effekt og lav frekvens i væsker eller suspensioner kan forårsage akustisk kavitation og dermed ekstreme forhold, som opstår lokalt i form af meget høje tryk og temperaturer samt mikrostrømning med væskestråler på op til 280m/s. Disse intense fysiske og mekaniske virkninger af ultralydskavitation forårsager erosion på partikeloverfladen samt knusning af partikler ved kollisioner mellem partiklerne. Disse intense kræfter fra ultralydskavitation / akustisk kavitation gør sonikering til en yderst effektiv og pålidelig metode til deagglomerering og dispergering af partikler i nanostørrelse såsom nanosilica, nanorør og andre nanomaterialer.

Partikelstørrelsesfordeling for nanosilica deagglomereret med ultralyd (ved hjælp af ultralydsapparatet Hielscher UP400St) i vand med (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% og (d) 10 wt% Aerosil 200 ved forskellige tidsintervaller.
Undersøgelse og grafer: Vikash 2020.

Ultralydsbehandling af silica ved høje faststofkoncentrationer og i viskøse væsker

Dispergering af nanopartikler ved lave koncentrationer er allerede en udfordring, da kemiske bindingskræfter såsom ionbindinger, kovalente bindinger, hydrogenbindinger og van der Waals-interaktioner skal overvindes. Med stigende koncentration af nanopartikler, f.eks. nanosilicapartikler, øges den kemiske interaktion mellem nanopartiklerne også betydeligt. Det betyder, at en kraftfuld dispergeringsteknik er afgørende for at opnå gode dispergeringsresultater, der er stabile på lang sigt. Ultralydsdispergatorer anvendes som en pålidelig og yderst effektiv dispergeringsmetode, der uden vanskeligheder kan behandle suspensioner med høj viskositet og endda pastaer med meget høje faststofkoncentrationer. Evnen til at behandle suspensioner med højt faststofindhold af nanopartikler gør sonikering til den foretrukne dispergeringsteknologi til nanomaterialer.
Hielschers industrielle ultralydsapparater kan behandle din suspension eller pasta i en kontinuerlig inline-reaktor, så længe den kan tilføres via en pumpe.

Fremstilling af silicananofluider med ultralyd

Modragon et al. (2012) fremstillede silicananofluider, som blev fremstillet ved at dispergere silicananopartikler i destilleret vand ved hjælp af ultralydsapparatet UP400S af probetypen. Fremstilling af stabile silicananofluider med et bestemt faststofindhold (dvs. 20%), lav viskositet og væskelignende adfærd indebærer en behandling med høj energi med en ultralydsprobe i 5 minutter, basiske medier (pH-værdier højere end 7) og ingen tilsætning af salt. Dispergeringen med ultralyd resulterede i nanofluider med lav viskositet. De nanofluider, der blev fremstillet med ultralyd, opførte sig som væske og blev fremstillet med et faststofindhold på 20% på meget kort tid takket være den gode dispergering, som blev opnået med sonikering.
“Af alle tilgængelige dispergeringsmetoder er dispergering med ultralydsprober blevet bekræftet som den mest effektive.“ (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) nåede frem til samme konklusion for deagglomerering af Aerosil-pulver og fandt, at ultralydsproben er det mest effektive dispergeringssystem på grund af den stærkt fokuserede energi, der tilføres.

Ultralydsapparater til deagglomerering og dispergering af silicananopartikler

Når nanosilica anvendes i industrielle anvendelser, forskning eller materialevidenskab, skal det tørre silicapulver indarbejdes i en væskefase. Dispergering af nanosilica kræver en pålidelig og effektiv dispergeringsteknik, der tilfører tilstrækkelig energi til at deagglomerere de enkelte silicapartikler. Ultralydsapparater er velkendte som kraftfulde og pålidelige dispergatorer og anvendes derfor til at deagglomerere og fordele forskellige materialer såsom silica, nanorør, grafen, mineraler og mange andre materialer homogent i en væskefase.

Hielscher Ultrasonics designer, fremstiller og distribuerer højtydende ultralydsdispergatorer til alle typer homogeniserings- og deagglomereringsanvendelser. Ved fremstilling af nanodispersioner er præcis styring af sonikeringen og en pålidelig ultralydsbehandling af nanopartikelsuspensionen afgørende for at opnå højtydende produkter.
Hielscher Ultrasonics’ processorer giver dig fuld kontrol over alle vigtige procesparametre såsom energitilførsel, ultralydsintensitet, amplitude, tryk, temperatur og opholdstid. Dermed kan du justere parametrene til optimerede betingelser, hvilket efterfølgende fører til nanodispersioner af høj kvalitet såsom nanosilicasuspensioner.
Til enhver volumen / kapacitet: Hielscher tilbyder ultralydsapparater og et bredt sortiment af tilbehør. Dette gør det muligt at konfigurere det ideelle ultralydssystem til din anvendelse og produktionskapacitet. Fra små hætteglas med få milliliter til strømme med store volumener på tusindvis af gallons i timen tilbyder Hielscher den passende ultralydsløsning til din proces.
Robusthed: Vores ultralydssystemer er robuste og pålidelige. Alle ultralydsapparater fra Hielscher er bygget til drift 24/7/365 og kræver meget lidt vedligeholdelse.
Brugervenlighed: Den gennemarbejdede software i vores ultralydsapparater gør det muligt at forhåndsvælge og gemme sonikeringsindstillinger for enkel og pålidelig sonikering. Den intuitive menu er let tilgængelig via en digital touchskærm i farver. Fjernstyring via browser gør det muligt at betjene og overvåge via enhver internetbrowser. Automatisk dataregistrering gemmer procesparametrene for hver sonikeringskørsel på et indbygget SD-kort.
Fremragende energieffektivitet: Sammenlignet med alternative dispergeringsteknologier udmærker ultralydsapparater fra Hielscher sig ved enestående energieffektivitet og overlegne resultater med hensyn til partikelstørrelsesfordeling.

Diagrammet viser den betydelige fordel ved dispergering af silica med ultralyd ved hjælp af Hielscher UIP1000 sammenlignet med en ultra-turrax. Sonikering kræver mindre energi og giver en drastisk mindre partikelstørrelse for silica.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: