Ultralyd deagglomerering af silica nanopartikler

Silica nanopartikler såsom røget silica (f.eks. Aerosil) er et meget anvendt tilsætningsstof i forskellige industrier. For at opnå fuldt funktionel nanosilica med de ønskede materialeegenskaber skal silica-nanopartiklerne deagglomereres og fordeles som enkeltdispergerede partikler. Ultralydsdeagglomerering har vist sig at være en yderst effektiv og pålidelig teknik til at distribuere nanosilica ensartet som enkeltdispergerede partikler i en suspension.

nanosilica – Egenskaber og anvendelser

Silica (SiO₂) og især silica-nanopartikler (Si-NP'er) er almindelige tilsætningsstoffer i mange industrier. Silicapartikler i nanostørrelse tilbyder et meget stort overfladeareal og udtrykker unikke partikelegenskaber, som bruges i mange industrier til forskellige formål. For eksempel de unikke materialeegenskaber ved SiO i nanostørrelse₂ anvendes til at forstærke (nano-)kompositter, beton og andre materialer. Eksempler er nanosilica-baserede belægninger, der tilbyder brandsikre egenskaber, eller glas belagt med nanosilica, der derved opnår antireflekterende egenskaber. I bygge- og anlægsbranchen anvendes silicarøg (mikrosilica) og nanosilica som stærkt pozzolanmateriale, der bruges til at forbedre bearbejdeligheden samt betonens mekaniske og holdbarhedsmæssige egenskaber. Når silicarøg og nanosilica sammenlignes, er den nanostrukturerede SiO₂ Pozzolan er mere aktiv i det tidlige stadie end silicadamp, da nanosilica giver et betydeligt større specifikt overfladeareal og finhed. Det større overfladeareal giver flere steder at reagere med betonen og bidrager specifikt til en forbedret betonmikrostruktur ved at fungere som en kerne. Gaspermeabiliteten, en indikator for holdbarhed af beton, forbedres i beton, der er forstærket med nanosilica sammenlignet med beton, der indeholder traditionel silicarøg.
Inden for biomedicin og life science, SiO₂ Nanopartikler undersøges bredt til forskellige anvendelser, da nanosilicas høje overfladeareal, fremragende biokompatibilitet og justerbare porestørrelse tilbyder en bred vifte af nye anvendelser, herunder lægemiddellevering og teranostik.

Diagrammet viser partikelstørrelsesfordelingen af nano-silica før (grøn kurve) og efter (rød kurve) ultralydsdispersion.

Ultralyd deagglomerering og spredning af nano-silica

Arbejdsprincippet for ultralydsdeagglomerering og dispersion er baseret på virkningerne af ultralydgenereret kavitation, videnskabeligt kendt som akustisk kavitation. Anvendelse af højeffekt, lavfrekvent ultralyd i væsker eller gylle kan forårsage akustisk kavitation og dermed ekstreme forhold, der forekommer lokalt som meget høje tryk og temperaturer, og mikrostreaming med væskestråler på op til 280m/s. Disse intense fysiske og mekaniske virkninger af ultralydskavitation forårsager erosion på partikeloverfladen samt knusning af partikler via inter-partikelkollision. Disse intense kræfter af ultralyd / akustisk kavitation gør sonikering til en yderst effektiv og pålidelig metode til deagglomerering og spredning af nano-størrelse partikler auch som nano-silica, nanorør og andre nanomaterialer.

Partikelstørrelsesfordeling af ultralydsdeagglomereret nanosilica (ved hjælp af Hielscher UP400St ultralydsapparat) i vand med en vægt på a) 1 vægtprocent, b) 2 vægtprocent, c) 5 vægtprocent og d) 10 vægtprocent Aerosil 200 med forskellige tidsintervaller.
Undersøgelse og grafer: Vikash 2020.

Ultralydsbehandling af silica med høje faste koncentrationer og i tyktflydende væsker

Spredning af nanopartikler i 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. nano-silicapartikler, øges den kemiske interaktion mellem nanopartiklerne også betydeligt. Det betyder, at en kraftfuld dispersionsteknik er afgørende for at opnå gode, langsigtede stabile dispersionsresultater. Ultralydsdispergeringsmidler anvendes som pålidelig og meget effektiv dispersionsmetode, som let er i stand til at behandle opslæmninger med høje viskositeter og endda pastaer med meget høje faste koncentrationer. Evnen til at behandle opslæmninger med høje faste belastninger af nanopartikler gør ultralydbehandling til den foretrukne dispergeringsteknologi for nanomaterialer.
Hielscher industrielle ultralydapparater kan behandle din opslæmning eller pasta i en kontinuerlig in-line reaktor, så længe den kan føres via en pumpe.

Ultralydsproduktion af silica nanofluider

Modragon et al. (2012) fremstillede silicananofluider fremstillet ved at dispergere silicananopartikler i destilleret vand ved hjælp af sonde-type ultralydsapparat UP400S. For at producere stabile silica-nanovæsker med et vist indhold af faste stoffer (dvs. 20 %), med lav viskositet og lignende væskeopførsel, består de af en højenergibehandling med en ultralydssonde i 5 minutter, basisk medie (pH-værdier højere end 7) og ingen salttilsætning. Ultralydsdispersionen resulterede i nanovæsker med lav viskositet. De ultralydsfremstillede nanovæsker opførte sig som væske og blev fremstillet med 20% af fast belastning inden for meget kort tid takket være den gode dispersion opnået med sonikering.
"Af alle tilgængelige dispersionsmetoder er dispersion med ultralydssonder blevet bekræftet som den mest effektive." (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) kom til samme konklusion for deagglomerering af Aerosil-pulver og fandt, at ultralydssonden er det mest effektive dispersionssystem på grund af den meget fokuserede energi, der anvendes.

Ultralydapparater til deagglomerering og dispersion af silica nanopartikler

Når nanosilica anvendes i industrielle applikationer, forskning eller materialevidenskab, skal det tørre silicapulver inkorporeres i en flydende fase. Nano-silica-dispersion kræver en pålidelig og effektiv dispergeringsteknik, som anvender nok energi til at deagglomerere de enkelte silicapartikler. Ultralydapparater er velkendte som kraftfulde og pålidelige dispergeringsmidler, der derfor bruges til at deagglomerere og distribuere forskellige materialer såsom silica, nanorør, grafen, mineraler og mange andre materialer homogent i en flydende fase.

Hielscher Ultrasonics designer, fremstiller og distribuerer højtydende ultralydsdispergeringsmidler til enhver form for homogeniserings- og deagglomereringsapplikationer. Når det kommer til produktion af nanodispersioner, er præcis sonikeringskontrol og en pålidelig ultralydsbehandling af nanopartikelsuspensionen afgørende for at opnå højtydende produkter.
Hielscher Ultrasonics' processorer giver dig fuld kontrol over alle vigtige behandlingsparametre såsom energitilførsel, ultralydsintensitet, amplitude, tryk, temperatur og retentionstid. Derved kan du justere parametrene til optimerede forhold, hvilket efterfølgende fører til nanodispersion af høj kvalitet såsom nanosilica-opslæmninger.
For enhver volumen/kapacitet: Hielscher tilbyder ultralydapparater og en bred portefølje af tilbehør. Dette giver mulighed for konfiguration af det ideelle ultralydssystem til din applikation og produktionskapacitet. Fra små hætteglas, der indeholder et par milliliter, til store volumenstrømme på tusindvis af liter i timen, tilbyder Hielscher den passende ultralydsløsning til din proces.
Robusthed: Vores ultralydssystemer er robuste og pålidelige. Alle Hielscher ultralydapparater er bygget til 24/7/365 drift og kræver meget lidt vedligeholdelse.
Brugervenlighed: Uddybet software til vores ultralydsenheder tillader forvalg og lagring af sonikeringsindstillinger for en enkel og pålidelig sonikering. Den intuitive menu er let tilgængelig via et digitalt farvet touch-display. Den eksterne browserkontrol giver dig mulighed for at betjene og overvåge via enhver internetbrowser. Automatisk dataoptagelse gemmer procesparametrene for enhver sonikering, der køres på et indbygget SD-kort.
Fremragende energieffektivitet: Sammenlignet med alternative dispersionsteknologier udmærker Hielscher ultralydapparater sig med enestående energieffektivitet og overlegne resultater i partikelstørrelsesfordeling.

Diagrammet viser den betydelige fordel ved ultralydsdispersion af silica med Hielscher UIP1000 sammenlignet med en ultra-turrax. Ultralydbehandling kræver mindre energi og opnår drastisk mindre partikelstørrelse af silica.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: