Ultraschall-Deagglomeration von Siliciumdioxid-Nanopartikeln

Siliciumdioxid-Nanopartikel wie pyrogenes Siliciumdioxid (z. B. Aerosil) sind in verschiedenen Branchen weit verbreitete Additive. Um voll funktionsfähiges Nanosilica mit den gewünschten Materialeigenschaften zu erhalten, müssen die Siliciumdioxid-Nanopartikel deagglomeriert und als einzelne Partikel verteilt werden. Die Ultraschall-Deagglomeration hat sich als hocheffizientes und zuverlässiges Verfahren erwiesen, um Nanosilica gleichmäßig als einzelne Partikel in einer Suspension zu verteilen.

Nanosilica – Eigenschaften und Anwendungen

Siliciumdioxid (SiO₂) und insbesondere Siliciumdioxid-Nanopartikel (Si-NPs) sind gängige Additive in vielen Branchen. Siliciumdioxidpartikel im Nanometerbereich bieten eine sehr große Oberfläche und weisen einzigartige Partikeleigenschaften auf, die in vielen Branchen für verschiedene Zwecke genutzt werden. Beispielsweise werden die einzigartigen Materialeigenschaften von nanoskaligem SiO₂ genutzt, um (Nano-)Verbundwerkstoffe, Beton und andere Materialien zu verstärken. Beispiele sind Beschichtungen auf Nanosilica-Basis mit feuerfesten Eigenschaften oder mit Nanosilica beschichtetes Glas, das dadurch entspiegelnde Eigenschaften erhält. Im Bauwesen werden Silikastaub (Mikrosilica) und Nanosilica als hochreaktive puzzolanische Materialien eingesetzt, um die Verarbeitbarkeit sowie die mechanischen Eigenschaften und die Dauerhaftigkeit von Beton zu verbessern. Im Vergleich zu Silikastaub ist das nanostrukturierte SiO₂-Puzzolan in der frühen Phase reaktiver, da Nanosilica eine deutlich größere spezifische Oberfläche und höhere Feinheit aufweist. Die größere Oberfläche bietet mehr Reaktionsstellen im Beton und trägt durch ihre Wirkung als Keimbildner gezielt zu einer verbesserten Mikrostruktur des Betons bei. Die Gasdurchlässigkeit, ein Indikator für die Dauerhaftigkeit von Beton, wird bei mit Nanosilica verstärktem Beton gegenüber Beton mit herkömmlichem Silikastaub verbessert.
In der Biomedizin und den Biowissenschaften werden SiO₂-Nanopartikel für unterschiedliche Anwendungen umfassend untersucht, da die große Oberfläche, die hervorragende Biokompatibilität und die einstellbare Porengröße von Nanosilica eine Vielzahl neuartiger Anwendungen ermöglichen, darunter Wirkstofftransport und Theranostik.

Das Diagramm zeigt die Partikelgrößenverteilung von Nanosilica vor (grüne Kurve) und nach (rote Kurve) der Ultraschalldispergierung.

Ultraschall-Deagglomeration und Dispergierung von Nanosilica

Das Funktionsprinzip der Ultraschall-Deagglomeration und -Dispergierung beruht auf den Wirkungen der durch Ultraschall erzeugten Kavitation, die wissenschaftlich als akustische Kavitation bezeichnet wird. Der Einsatz von leistungsstarkem, niederfrequentem Ultraschall in Flüssigkeiten oder Suspensionen kann akustische Kavitation und damit extreme Bedingungen hervorrufen, die lokal als sehr hohe Drücke und Temperaturen sowie als Mikroströmungen mit Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 280m/s auftreten. Diese intensiven physikalischen und mechanischen Wirkungen der Ultraschallkavitation verursachen Erosion an der Partikeloberfläche sowie die Zertrümmerung von Partikeln durch Zusammenstöße zwischen den Partikeln. Diese starken Kräfte der Ultraschallkavitation bzw. akustischen Kavitation machen die Beschallung zu einer hocheffizienten und zuverlässigen Methode zur Deagglomeration und Dispergierung nanoskaliger Partikel wie Nanosilica, Nanoröhren und anderer Nanomaterialien.

Partikelgrößenverteilung von durch Ultraschall deagglomeriertem Nanosilica (mit dem Ultraschallgerät UP400St von Hielscher) in Wasser mit (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% und (d) 10 wt% Aerosil 200 zu verschiedenen Zeitpunkten.
Studie und Diagramme: Vikash 2020.

Ultraschallbehandlung von Siliciumdioxid bei hohen Feststoffkonzentrationen und in viskosen Flüssigkeiten

Bereits das Dispergieren von Nanopartikeln bei niedrigen Konzentrationen ist eine Herausforderung, da chemische Bindungskräfte wie Ionenbindungen, kovalente Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Wechselwirkungen überwunden werden müssen. Mit steigender Konzentration der Nanopartikel, beispielsweise von Nanosilica-Partikeln, nehmen auch die chemischen Wechselwirkungen zwischen den Nanopartikeln deutlich zu. Daher ist eine leistungsfähige Dispergiertechnik unerlässlich, um gute, langfristig stabile Dispergierergebnisse zu erzielen. Ultraschalldispergierer werden als zuverlässige und hochwirksame Dispergiertechnik eingesetzt, mit der sich auch hochviskose Suspensionen und sogar Pasten mit sehr hohen Feststoffkonzentrationen problemlos verarbeiten lassen. Die Fähigkeit, Suspensionen mit hohen Nanopartikel-Feststoffgehalten zu verarbeiten, macht die Ultraschallbehandlung zur bevorzugten Dispergiertechnologie für Nanomaterialien.
Industrielle Ultraschallgeräte von Hielscher können Ihre Suspension oder Paste in einem kontinuierlich betriebenen Inline-Reaktor verarbeiten, solange sie mit einer Pumpe zugeführt werden kann.

Herstellung von Siliciumdioxid-Nanofluiden mit Ultraschall

Modragon et al. (2012) stellten Siliciumdioxid-Nanofluide her, indem sie Siliciumdioxid-Nanopartikel in destilliertem Wasser dispergierten. Dazu verwendeten sie das Ultraschallgerät UP400S mit Sonotrode. Um stabile Siliciumdioxid-Nanofluide mit einem bestimmten Feststoffgehalt (hier 20%), niedriger Viskosität und flüssigkeitsähnlichem Verhalten herzustellen, erfolgte eine Behandlung mit hohem Energieeintrag durch eine Sonotrode für 5 Minuten in basischen Medien (pH-Werte über 7) ohne Salzzugabe. Die Ultraschalldispergierung führte zu Nanofluiden mit niedriger Viskosität. Die mit Ultraschall hergestellten Nanofluide verhielten sich wie eine Flüssigkeit und konnten dank der durch die Beschallung erzielten guten Dispergierung innerhalb kürzester Zeit mit einem Feststoffgehalt von 20% hergestellt werden.
„Von allen verfügbaren Dispergierverfahren hat sich die Dispergierung mit Ultraschallsonotroden als das wirksamste erwiesen.“ (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) kamen bei der Deagglomeration von Aerosil-Pulver zum gleichen Schluss: Die Sonotrode ist aufgrund der stark fokussiert eingebrachten Energie das wirksamste Dispergiersystem.

Ultraschallgeräte zur Deagglomeration und Dispergierung von Siliciumdioxid-Nanopartikeln

Wenn Nanosilica in industriellen Anwendungen, in der Forschung oder in den Materialwissenschaften eingesetzt wird, muss das trockene Siliciumdioxidpulver in eine flüssige Phase eingearbeitet werden. Die Dispergierung von Nanosilica erfordert eine zuverlässige und wirksame Dispergiertechnik, die genügend Energie einbringt, um die einzelnen Siliciumdioxidpartikel zu deagglomerieren. Ultraschallgeräte sind als leistungsstarke und zuverlässige Dispergierer bekannt und werden daher eingesetzt, um verschiedene Materialien wie Siliciumdioxid, Nanoröhren, Graphen, Mineralien und viele weitere Materialien zu deagglomerieren und homogen in einer flüssigen Phase zu verteilen.

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschalldispergierer für Homogenisierungs- und Deagglomerationsanwendungen aller Art. Bei der Herstellung von Nanodispersionen sind eine präzise Steuerung der Beschallung und eine zuverlässige Ultraschallbehandlung der Nanopartikelsuspension unerlässlich, um leistungsfähige Produkte zu erhalten.
Die Prozessoren von Hielscher Ultrasonics ermöglichen Ihnen die vollständige Kontrolle über alle wichtigen Prozessparameter wie Energieeintrag, Ultraschallintensität, Amplitude, Druck, Temperatur und Verweilzeit. Dadurch können Sie die Parameter auf optimale Bedingungen einstellen und so hochwertige Nanodispersionen wie Nanosilica-Suspensionen herstellen.
Für jedes Volumen / jede Kapazität: Hielscher bietet Ultraschallgeräte und ein breites Zubehörsortiment. Damit lässt sich das ideale Ultraschallsystem für Ihre Anwendung und Produktionskapazität zusammenstellen. Von kleinen Probengefäßen mit wenigen Millilitern bis hin zu großen Volumenströmen von Tausenden Gallonen pro Stunde bietet Hielscher die passende Ultraschalllösung für Ihren Prozess.
Robustheit: Unsere Ultraschallsysteme sind robust und zuverlässig. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den 24/7/365-Betrieb ausgelegt und benötigen nur sehr wenig Wartung.
Benutzerfreundlichkeit: Die ausgereifte Software unserer Ultraschallgeräte ermöglicht die Vorauswahl und Speicherung von Beschallungseinstellungen für eine einfache und zuverlässige Beschallung. Das intuitive Menü ist über ein digitales Farb-Touchdisplay leicht zugänglich. Die browserbasierte Fernsteuerung ermöglicht die Bedienung und Überwachung über jeden Internetbrowser. Die automatische Datenaufzeichnung speichert die Prozessparameter jedes Beschallungslaufs auf einer integrierten SD-Karte.
Hervorragende Energieeffizienz: Im Vergleich zu alternativen Dispergiertechnologien zeichnen sich Ultraschallgeräte von Hielscher durch hervorragende Energieeffizienz und überlegene Ergebnisse bei der Partikelgrößenverteilung aus.

Das Diagramm zeigt den deutlichen Vorteil der Ultraschalldispergierung von Siliciumdioxid mit dem Hielscher UIP1000 gegenüber einem Ultra-Turrax. Die Ultraschallbehandlung benötigt weniger Energie und erzielt erheblich kleinere Siliciumdioxidpartikel.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: