Αποσυσσωμάτωση νανοσωματιδίων πυριτίας με υπερήχους

Τα νανοσωματίδια πυριτίας, όπως η πυρογενής πυριτία (π.χ. Aerosil), αποτελούν ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο πρόσθετο σε διάφορους βιομηχανικούς κλάδους. Για να επιτευχθεί πλήρως λειτουργική νανοπυριτία με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά υλικού, τα νανοσωματίδια πυριτίας πρέπει να αποσυσσωματωθούν και να κατανεμηθούν ως μεμονωμένα διασπαρμένα σωματίδια. Η αποσυσσωμάτωση με υπερήχους έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα αποδοτική και αξιόπιστη τεχνική για την ομοιόμορφη κατανομή της νανοπυριτίας ως μεμονωμένων διασπαρμένων σωματιδίων σε ένα εναιώρημα.

Νανοπυριτία – Χαρακτηριστικά και εφαρμογές

Η πυριτία (SiO₂) και ιδιαίτερα τα νανοσωματίδια πυριτίας (Si-NPs) αποτελούν κοινά πρόσθετα σε πολλούς βιομηχανικούς κλάδους. Τα σωματίδια πυριτίας νανομετρικού μεγέθους προσφέρουν πολύ μεγάλη επιφάνεια και παρουσιάζουν μοναδικά χαρακτηριστικά σωματιδίων, τα οποία αξιοποιούνται σε πολλούς βιομηχανικούς κλάδους για διάφορους σκοπούς. Για παράδειγμα, οι μοναδικές ιδιότητες του νανομετρικού SiO₂ αξιοποιούνται για την ενίσχυση (νανο)σύνθετων υλικών, σκυροδέματος και άλλων υλικών. Παραδείγματα αποτελούν οι επιστρώσεις με βάση τη νανοπυριτία που προσφέρουν πυρίμαχες ιδιότητες ή το γυαλί με επικάλυψη νανοπυριτίας που αποκτά έτσι αντιανακλαστικές ιδιότητες. Στον κτιριακό και κατασκευαστικό κλάδο, η πυριτική παιπάλη (μικροπυριτία) και η νανοπυριτία χρησιμοποιούνται ως υλικά με υψηλή ποζολανική δραστικότητα για τη βελτίωση της εργασιμότητας, καθώς και των μηχανικών ιδιοτήτων και της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος. Κατά τη σύγκριση της πυριτικής παιπάλης με τη νανοπυριτία, η νανοδομημένη ποζολάνη SiO₂ είναι πιο δραστική στα πρώιμα στάδια από την πυριτική παιπάλη, καθώς η νανοπυριτία προσφέρει σημαντικά μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια και λεπτότητα. Η μεγαλύτερη επιφάνεια προσφέρει περισσότερες θέσεις αντίδρασης με το σκυρόδεμα και συμβάλλει ειδικά στη βελτίωση της μικροδομής του σκυροδέματος, λειτουργώντας ως πυρήνας. Η διαπερατότητα στα αέρια, ένας δείκτης της ανθεκτικότητας του σκυροδέματος, βελτιώνεται στο σκυρόδεμα που ενισχύεται με νανοπυριτία σε σύγκριση με το σκυρόδεμα που περιέχει παραδοσιακή πυριτική παιπάλη.
Στη βιοϊατρική και στις επιστήμες της ζωής, τα νανοσωματίδια SiO₂ μελετώνται ευρέως για διάφορες εφαρμογές, καθώς η μεγάλη επιφάνεια, η εξαιρετική βιοσυμβατότητα και το ρυθμιζόμενο μέγεθος πόρων της νανοπυριτίας προσφέρουν ένα ευρύ φάσμα νέων εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της χορήγησης φαρμάκων και της θεραγνωστικής.

Το διάγραμμα δείχνει την κατανομή μεγέθους σωματιδίων της νανοπυριτίας πριν (πράσινη καμπύλη) και μετά (κόκκινη καμπύλη) τη διασπορά με υπερήχους.

Αποσυσσωμάτωση και διασπορά νανοπυριτίας με υπερήχους

Η αρχή λειτουργίας της αποσυσσωμάτωσης και της διασποράς με υπερήχους βασίζεται στις επιδράσεις της σπηλαίωσης που δημιουργείται από τους υπερήχους, γνωστής επιστημονικά ως ακουστικής σπηλαίωσης. Η εφαρμογή υπερήχων υψηλής ισχύος και χαμηλής συχνότητας σε υγρά ή πολφούς μπορεί να προκαλέσει ακουστική σπηλαίωση και, κατά συνέπεια, ακραίες συνθήκες, οι οποίες εκδηλώνονται τοπικά ως πολύ υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, καθώς και μικροροές με πίδακες υγρού ταχύτητας έως και 280m/s. Αυτές οι έντονες φυσικές και μηχανικές επιδράσεις της σπηλαίωσης που προκαλείται από υπερήχους προκαλούν διάβρωση στην επιφάνεια των σωματιδίων, καθώς και θραύση των σωματιδίων μέσω συγκρούσεων μεταξύ τους. Αυτές οι έντονες δυνάμεις της σπηλαίωσης από υπερήχους / ακουστικής σπηλαίωσης καθιστούν την κατεργασία με υπερήχους ιδιαίτερα αποδοτική και αξιόπιστη μέθοδο για την αποσυσσωμάτωση και τη διασπορά σωματιδίων νανομετρικού μεγέθους, όπως η νανοπυριτία, οι νανοσωλήνες και άλλα νανοϋλικά.

Κατανομή μεγέθους σωματιδίων νανοπυριτίας που έχει αποσυσσωματωθεί με υπερήχους (με χρήση της συσκευής υπερήχων Hielscher UP400St) σε νερό, με περιεκτικότητες Aerosil 200 (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% και (d) 10 wt%, σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα.
Μελέτη και γραφήματα: Vikash 2020.

Επεξεργασία πυριτίας με υπερήχους σε υψηλές συγκεντρώσεις στερεών και σε ιξώδη υγρά

Η διασπορά νανοσωματιδίων σε χαμηλές συγκεντρώσεις αποτελεί ήδη πρόκληση, καθώς πρέπει να υπερνικηθούν οι δυνάμεις χημικών δεσμών, όπως οι ιοντικοί δεσμοί, οι ομοιοπολικοί δεσμοί, οι δεσμοί υδρογόνου και οι αλληλεπιδράσεις van der Waals. Καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση των νανοσωματιδίων, π.χ. των σωματιδίων νανοπυριτίας, αυξάνεται σημαντικά και η χημική αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι μια ισχυρή τεχνική διασποράς είναι απαραίτητη για την επίτευξη καλών αποτελεσμάτων διασποράς με μακροχρόνια σταθερότητα. Οι διασπορείς υπερήχων χρησιμοποιούνται ως αξιόπιστη και ιδιαίτερα αποτελεσματική μέθοδος διασποράς, η οποία μπορεί εύκολα να επεξεργάζεται πολφούς υψηλού ιξώδους, ακόμη και πάστες με πολύ υψηλές συγκεντρώσεις στερεών. Η δυνατότητα επεξεργασίας πολφών με υψηλή περιεκτικότητα σε στερεά νανοσωματίδια καθιστά την κατεργασία με υπερήχους την προτιμώμενη τεχνολογία διασποράς για νανοϋλικά.
Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων της Hielscher μπορούν να επεξεργάζονται τον πολφό ή την πάστα σας σε έναν αντιδραστήρα συνεχούς ροής εντός γραμμής, εφόσον είναι δυνατή η τροφοδοσία τους μέσω αντλίας.

Παραγωγή νανορευστών πυριτίας με υπερήχους

Οι Modragon et al. (2012) παρασκεύασαν νανορευστά πυριτίας διασπείροντας νανοσωματίδια πυριτίας σε απεσταγμένο νερό χρησιμοποιώντας τον επεξεργαστή υπερήχων τύπου καθετήρα UP400S. Οι συνθήκες για την παραγωγή σταθερών νανορευστών πυριτίας με συγκεκριμένη περιεκτικότητα σε στερεά (δηλ. 20%), χαμηλό ιξώδες και συμπεριφορά υγρού περιλαμβάνουν κατεργασία υψηλής ενέργειας με καθετήρα υπερήχων για 5 λεπτά, βασικό μέσο (τιμές pH υψηλότερες από 7) και απουσία προσθήκης αλάτων. Η διασπορά με υπερήχους οδήγησε σε νανορευστά χαμηλού ιξώδους. Τα νανορευστά που παρασκευάστηκαν με υπερήχους συμπεριφέρονταν ως υγρά και παρασκευάστηκαν με περιεκτικότητα σε στερεά 20% μέσα σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, χάρη στην καλή διασπορά που επιτεύχθηκε με την κατεργασία με υπερήχους.
«Από όλες τις διαθέσιμες μεθόδους διασποράς, η διασπορά με καθετήρες υπερήχων έχει επιβεβαιωθεί ως η πιο αποτελεσματική.» (Modragon et al., 2012)
Οι Petzold et al. (2009) κατέληξαν στο ίδιο συμπέρασμα για την αποσυσσωμάτωση σκόνης Aerosil, διαπιστώνοντας ότι ο καθετήρας υπερήχων αποτελεί το πιο αποτελεσματικό σύστημα διασποράς λόγω της εξαιρετικά εστιασμένης ενέργειας που εφαρμόζεται.

Συσκευές υπερήχων για την αποσυσσωμάτωση και τη διασπορά νανοσωματιδίων πυριτίας

Όταν η νανοπυριτία χρησιμοποιείται σε βιομηχανικές εφαρμογές, στην έρευνα ή στην επιστήμη των υλικών, η ξηρή σκόνη πυριτίας πρέπει να ενσωματώνεται σε μια υγρή φάση. Η διασπορά νανοπυριτίας απαιτεί μια αξιόπιστη και αποτελεσματική τεχνική διασποράς, η οποία εφαρμόζει επαρκή ενέργεια για την αποσυσσωμάτωση των μεμονωμένων σωματιδίων πυριτίας. Οι συσκευές υπερήχων είναι ευρέως γνωστές ως ισχυροί και αξιόπιστοι διασπορείς και, επομένως, χρησιμοποιούνται για την αποσυσσωμάτωση και την ομοιόμορφη κατανομή διαφόρων υλικών, όπως η πυριτία, οι νανοσωλήνες, το γραφένιο, τα ορυκτά και πολλά άλλα υλικά, μέσα σε μια υγρή φάση.

Η Hielscher Ultrasonics σχεδιάζει, κατασκευάζει και διαθέτει διασπορείς υπερήχων υψηλής απόδοσης για κάθε είδους εφαρμογές ομογενοποίησης και αποσυσσωμάτωσης. Για την παραγωγή νανοδιασπορών, ο ακριβής έλεγχος της κατεργασίας με υπερήχους και η αξιόπιστη επεξεργασία του εναιωρήματος νανοσωματιδίων με υπερήχους είναι απαραίτητα για την παραγωγή προϊόντων υψηλής απόδοσης.
Οι επεξεργαστές της Hielscher Ultrasonics σάς παρέχουν πλήρη έλεγχο όλων των σημαντικών παραμέτρων επεξεργασίας, όπως η εισαγόμενη ενέργεια, η ένταση των υπερήχων, το πλάτος ταλάντωσης, η πίεση, η θερμοκρασία και ο χρόνος παραμονής. Έτσι, μπορείτε να ρυθμίσετε τις παραμέτρους στις βέλτιστες συνθήκες, γεγονός που οδηγεί στη συνέχεια σε νανοδιασπορές υψηλής ποιότητας, όπως οι πολφοί νανοπυριτίας.
Για κάθε όγκο / δυναμικότητα: Η Hielscher προσφέρει συσκευές υπερήχων και μια ευρεία γκάμα εξαρτημάτων. Αυτό επιτρέπει τη διαμόρφωση του ιδανικού συστήματος υπερήχων για την εφαρμογή και την παραγωγική σας δυναμικότητα. Από μικρά φιαλίδια που περιέχουν λίγα χιλιοστόλιτρα έως ρεύματα μεγάλου όγκου, χιλιάδων γαλονιών ανά ώρα, η Hielscher προσφέρει την κατάλληλη λύση υπερήχων για τη διεργασία σας.
Ανθεκτικότητα: Τα συστήματα υπερήχων μας είναι ανθεκτικά και αξιόπιστα. Όλες οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι κατασκευασμένες για λειτουργία 24/7/365 και απαιτούν ελάχιστη συντήρηση.
Ευχρηστία: Το προηγμένο λογισμικό των συσκευών υπερήχων μας επιτρέπει την προεπιλογή και την αποθήκευση των ρυθμίσεων κατεργασίας με υπερήχους για απλή και αξιόπιστη κατεργασία με υπερήχους. Το εύχρηστο μενού είναι εύκολα προσβάσιμο μέσω μιας ψηφιακής έγχρωμης οθόνης αφής. Ο απομακρυσμένος έλεγχος μέσω προγράμματος περιήγησης επιτρέπει τον χειρισμό και την παρακολούθηση μέσω οποιουδήποτε προγράμματος περιήγησης στο διαδίκτυο. Η αυτόματη καταγραφή δεδομένων αποθηκεύει τις παραμέτρους διεργασίας κάθε κύκλου κατεργασίας με υπερήχους σε μια ενσωματωμένη κάρτα SD.
Εξαιρετική ενεργειακή απόδοση: Σε σύγκριση με εναλλακτικές τεχνολογίες διασποράς, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher διακρίνονται για την εξαιρετική ενεργειακή απόδοση και τα ανώτερα αποτελέσματα στην κατανομή μεγέθους των σωματιδίων.

Το διάγραμμα δείχνει το σημαντικό πλεονέκτημα της διασποράς πυριτίας με υπερήχους με τη συσκευή Hielscher UIP1000 σε σύγκριση με μια συσκευή ultra-turrax. Η κατεργασία με υπερήχους απαιτεί λιγότερη ενέργεια και επιτυγχάνει δραστικά μικρότερο μέγεθος σωματιδίων πυριτίας.

Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας: