Desaglomeración por ultrasonidos de nanopartículas de sílice

Las nanopartículas de sílice, como la sílice pirógena (por ejemplo, Aerosil), son un aditivo muy utilizado en diversas industrias. Para obtener una nanosílice totalmente funcional con las características deseadas del material, las nanopartículas de sílice deben desaglomerarse y distribuirse como partículas monodispersas. La desaglomeración por ultrasonidos ha demostrado ser una técnica muy eficaz y fiable para distribuir la nanosílice uniformemente como partículas monodispersas en una suspensión.

Nanosilica – Características y aplicaciones

Silica powder with a beaker of water before ultrasonic dispersion.Sílice (SiO2) y especialmente las nanopartículas de sílice (Si-NP) son aditivos habituales en muchas industrias. Las partículas de sílice de tamaño nanométrico ofrecen una superficie muy grande y expresan características únicas de las partículas, que se utilizan en muchas industrias para diversos fines. Por ejemplo, las propiedades materiales únicas de las nanopartículas de SiO2 se aplican para reforzar los (nano)compuestos, el hormigón y otros materiales. Algunos ejemplos son los revestimientos a base de nanosílice que ofrecen propiedades ignífugas o el vidrio recubierto de nanosílice que adquiere así propiedades antirreflectantes. En la industria de la construcción, el humo de sílice (microsílice) y la nanosílice se utilizan como material altamente puzolánico para mejorar la trabajabilidad y las propiedades mecánicas y de durabilidad del hormigón. Cuando se comparan el humo de sílice y la nanosílice, la nanoestructura de SiO2 La puzolana es más activa en la fase inicial que el humo de sílice, ya que la nanosílice ofrece una superficie específica y una finura considerablemente mayores. La mayor superficie ofrece más sitios para reaccionar con el hormigón y contribuye específicamente a mejorar la microestructura del hormigón al actuar como núcleo. La permeabilidad al gas, un indicador de la durabilidad del hormigón, mejora en el hormigón reforzado con nano-sílice en comparación con el hormigón que contiene humo de sílice tradicional.
En biomedicina y ciencias de la vida, el SiO2 Las nanopartículas se investigan ampliamente para diferentes aplicaciones, ya que la elevada superficie, la excelente biocompatibilidad y el tamaño de poro ajustable de la nanosílice ofrecen una amplia gama de aplicaciones novedosas, como la administración de fármacos y la teranóstica.

Ultrasonication is a highly efficient and reliable technique for the deagglomeration and dispersion of nano-silica.

El gráfico muestra la distribución del tamaño de las partículas de nano-sílice antes (curva verde) y después (curva roja) de la dispersión por ultrasonidos.

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The UIP2000hdT is a powerful ultrasonic disperser used for the deagglomeration of nano-silica with high solid loads.

Lechadas de nano-sílice – con cargas sólidas de bajas a muy altas – puede dispersarse de forma fiable mediante ultrasonidos. La imagen muestra el UIP2000hdT en una configuración por lotes.

Desaglomeración y dispersión por ultrasonidos de la nano-sílice

El principio de funcionamiento de la desaglomeración y dispersión por ultrasonidos se basa en los efectos de la cavitación generada por ultrasonidos, conocida científicamente como cavitación acústica. La aplicación de ultrasonidos de alta potencia y baja frecuencia en líquidos o lodos puede provocar una cavitación acústica y, por tanto, condiciones extremas, que se manifiestan localmente como presiones y temperaturas muy elevadas, y microflujos con chorros de líquido de hasta 280 m/s. Estos intensos efectos físicos y mecánicos de la cavitación ultrasónica provocan la erosión en la superficie de las partículas, así como la rotura de las mismas por colisión entre ellas. Estas intensas fuerzas de la cavitación ultrasónica/acústica hacen que la sonicación sea un método muy eficaz y fiable para la desagregación y dispersión de partículas de tamaño nanométrico, como la nanosílice, los nanotubos y otros nanomateriales.

Ultrasonic deagglomeration and dispersion of nano-silica results in uniformly distributed SiO2 nanoparticles

Distribución del tamaño de las partículas de nano-sílice desaglomerada por ultrasonidos (utilizando el ultrasonido Hielscher UP400St) en agua de (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt%, y (d) 10 wt% Aerosil 200 en diferentes intervalos de tiempo.
Estudio y gráficos: Vikash 2020.

Procesamiento por ultrasonidos de sílice con altas concentraciones de sólidos y en líquidos viscosos
La dispersión de las nanopartículas a bajas concentraciones ya es un reto, puesto que hay que superar las fuerzas de enlace químico, como los enlaces iónicos, los enlaces covalentes, los enlaces de hidrógeno y las interacciones de Van der Waals. Con el aumento de la concentración de las nanopartículas, por ejemplo, las partículas de nano-sílice, la interacción química entre las nanopartículas también aumenta considerablemente. Esto significa que es esencial una técnica de dispersión potente para obtener resultados de dispersión buenos y estables a largo plazo. Los dispersores ultrasónicos se utilizan como un método de dispersión fiable y muy eficaz, capaz de procesar fácilmente lodos con altas viscosidades e incluso pastas con concentraciones sólidas muy elevadas. La capacidad de procesar lodos con altas cargas sólidas de nanopartículas convierte a la ultrasonicación en la tecnología de dispersión preferida para los nanomateriales.
Los ultrasonidos industriales de Hielscher pueden procesar sus lodos o pastas en un reactor en línea continuo, siempre que puedan ser alimentados mediante una bomba.

Producción ultrasónica de nanofluidos de sílice

Modragon et al. (2012) prepararon nanofluidos de sílice preparados mediante la dispersión de nanopartículas de sílice en agua destilada utilizando el ultrasonidos con sonda UP400S. Para producir nanofluidos de sílice estables con un cierto contenido de sólidos (es decir, un 20%), con baja viscosidad y un comportamiento similar al de los líquidos, se recurrió a un tratamiento de alta energía con una sonda de ultrasonidos durante 5 minutos, a un medio básico (valores de pH superiores a 7) y a la no adición de sales. La dispersión ultrasónica dio lugar a nanofluidos de baja viscosidad. Los nanofluidos preparados por ultrasonidos se comportaron como líquidos y se prepararon con un 20% de carga sólida en muy poco tiempo gracias a la buena dispersión conseguida con la sonicación.
"De todos los métodos de dispersión disponibles, la dispersión con sondas ultrasónicas se ha confirmado como el más eficaz". (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) llegaron a la misma conclusión para la desaglomeración del polvo de Aerosil encontrando que la sonda ultrasónica es el sistema de dispersión más efectivo debido a la energía altamente focalizada que se aplica.

Nanodispersión ultrasónica con el ultrasonicador UP400ST

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Ultrasonidos para la desagregación y dispersión de nanopartículas de sílice

Cuando la nano-sílice se utiliza en aplicaciones industriales, en investigación o en la ciencia de los materiales, el polvo de sílice seco debe incorporarse a una fase líquida. La dispersión de la nano-sílice requiere una técnica de dispersión fiable y eficaz, que aplique suficiente energía para desaglomerar las partículas de sílice individuales. Los ultrasonidos son bien conocidos como dispersores potentes y fiables, por lo que se utilizan para desaglomerar y distribuir diversos materiales como la sílice, los nanotubos, el grafeno, los minerales y muchos otros materiales de forma homogénea en una fase líquida.

Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para cualquier tipo de aplicación de homogeneización y desaglomeración. Cuando se trata de la producción de nano-dispersiones, el control preciso de la sonicación y un tratamiento ultrasónico fiable de la suspensión de nanopartículas son esenciales para obtener productos de alto rendimiento.
Los procesadores de Hielscher Ultrasonics le ofrecen un control total sobre todos los parámetros de procesamiento importantes, como la entrada de energía, la intensidad de los ultrasonidos, la amplitud, la presión, la temperatura y el tiempo de retención. De este modo, puede ajustar los parámetros a condiciones optimizadas, lo que conduce posteriormente a una nano-dispersión de alta calidad, como las lechadas de nanosílice.
Para cualquier volumen / capacidad: Hielscher ofrece ultrasonidos y una amplia gama de accesorios. Esto permite configurar el sistema de ultrasonidos ideal para su aplicación y capacidad de producción. Desde pequeños frascos que contienen unos pocos mililitros hasta flujos de gran volumen de miles de galones por hora, Hielscher ofrece la solución de ultrasonidos adecuada para su proceso.
Robustez: Nuestros sistemas de ultrasonidos son robustos y fiables. Todos los ultrasonidos de Hielscher están construidos para un funcionamiento 24/7/365 y requieren muy poco mantenimiento.
Facilidad de uso: El elaborado software de nuestros equipos de ultrasonidos permite preseleccionar y guardar los ajustes de sonicación para una sonicación sencilla y fiable. El menú intuitivo es fácilmente accesible a través de una pantalla táctil digital en color. El control remoto del navegador permite operar y supervisar a través de cualquier navegador de Internet. El registro automático de datos guarda los parámetros del proceso de cualquier sonicación en una tarjeta SD integrada.
Excelente eficiencia energética: En comparación con las tecnologías de dispersión alternativas, los ultrasonidos de Hielscher destacan por su extraordinaria eficiencia energética y por sus resultados superiores en la distribución del tamaño de las partículas.

Ultrasonication excels the ultra-turrax in energy efficiency and particle size reduction of silica nanoparticles significantly.

El gráfico muestra la importante ventaja de la dispersión por ultrasonidos de la sílice con el UIP1000 de Hielscher en comparación con un ultra-turrax. La ultrasonicación requiere menos energía y consigue un tamaño de partículas de sílice drásticamente menor.

¿Por Hielscher Ultrasonidos?

  • elevada eficiencia
  • Tecnología punta
  • fiabilidad & robustez
  • lote & en línea
  • para cualquier volumen – desde pequeños frascos hasta camiones por hora
  • Científicamente probado
  • software inteligente
  • características inteligentes (por ejemplo, protocolling de datos)
  • CIP (limpieza in situ)

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.

Literatura / Referencias




High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.