Desaglomeración ultrasónica de nanopartículas de sílice

Las nanopartículas de sílice, como la sílice pirogénica (p. ej., Aerosil), son un aditivo ampliamente utilizado en diversos sectores industriales. Para obtener nanosílice plenamente funcional con las características deseadas del material, las nanopartículas de sílice deben desaglomerarse y distribuirse como partículas dispersas individualmente. La desaglomeración ultrasónica ha demostrado ser una técnica muy eficiente y fiable para distribuir uniformemente la nanosílice como partículas dispersas individualmente en una suspensión.

Nanosílice – Características y aplicaciones

La sílice (SiO₂) y, especialmente, las nanopartículas de sílice (Si-NPs) son aditivos habituales en numerosos sectores industriales. Las partículas de sílice de tamaño nanométrico ofrecen una superficie muy amplia y presentan características únicas que se aprovechan en numerosos sectores para diversos fines. Por ejemplo, las propiedades singulares del SiO₂ de tamaño nanométrico se aprovechan para reforzar (nano)compuestos, hormigón y otros materiales. Algunos ejemplos son los recubrimientos a base de nanosílice que ofrecen propiedades ignífugas o el vidrio recubierto de nanosílice que adquiere así propiedades antirreflectantes. En el sector de la edificación y la construcción, el humo de sílice (microsílice) y la nanosílice se utilizan como materiales altamente puzolánicos para mejorar la trabajabilidad, así como las propiedades mecánicas y la durabilidad del hormigón. Al comparar el humo de sílice con la nanosílice, el SiO₂ nanoestructurado utilizado como puzolana es más activo en las primeras etapas que el humo de sílice, ya que la nanosílice ofrece una superficie específica y una finura significativamente mayores. La mayor superficie ofrece más sitios para reaccionar con el hormigón y contribuye específicamente a mejorar su microestructura al actuar como núcleo. La permeabilidad a los gases, un indicador de la durabilidad del hormigón, mejora en el hormigón reforzado con nanosílice en comparación con el hormigón que contiene humo de sílice convencional.
En biomedicina y ciencias de la vida, las nanopartículas de SiO₂ se investigan ampliamente para distintas aplicaciones, ya que la gran 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.

El gráfico muestra la distribución del tamaño de las partículas de nanosílice antes (curva verde) y después (curva roja) de la dispersión ultrasónica.

Desaglomeración y dispersión ultrasónicas de nanosílice

El principio de funcionamiento de la desaglomeración y dispersión ultrasónicas 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 suspensiones puede provocar cavitación acústica y, con ella, condiciones extremas que se manifiestan localmente como presiones y temperaturas muy elevadas, así como microcorrientes con chorros de líquido de hasta 280 m/s. Estos intensos efectos físicos y mecánicos de la cavitación ultrasónica provocan erosión en la superficie de las partículas, así como su fragmentación mediante colisiones entre partículas. Estas intensas fuerzas de cavitación ultrasónica / acústica hacen de la sonicación un método muy eficiente y fiable para la desaglomeración y dispersión de partículas de tamaño nanométrico, como la nanosílice, los nanotubos y otros nanomateriales.

Distribución del tamaño de las partículas de nanosílice desaglomeradas por ultrasonidos (utilizando el sonicador Hielscher UP400St) en agua con (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% y (d) 10 wt% de Aerosil 200 a distintos intervalos de tiempo.
Estudio y gráficos: Vikash 2020.

Procesamiento ultrasónico de sílice con altas concentraciones de sólidos y en líquidos viscosos

Dispersar nanopartículas a bajas concentraciones ya supone un reto, puesto que deben superarse las fuerzas de enlace químico, como los enlaces iónicos, los enlaces covalentes, los puentes de hidrógeno y las interacciones de van der Waals. Al aumentar la concentración de nanopartículas, por ejemplo, de partículas de nanosílice, también aumenta significativamente la interacción química entre ellas. Esto significa que es esencial contar con una técnica de dispersión potente para obtener buenos resultados de dispersión que se mantengan estables a largo plazo. Los dispersores ultrasónicos se utilizan como un método de dispersión fiable y muy eficaz, capaz de procesar fácilmente suspensiones de alta viscosidad e incluso pastas con concentraciones de sólidos muy elevadas. La capacidad de procesar suspensiones con un alto contenido de nanopartículas sólidas convierte la sonicación en la tecnología de dispersión preferida para los nanomateriales.
Los sonicadores industriales de Hielscher pueden procesar su suspensión o pasta en un reactor continuo en línea, siempre que pueda alimentarse mediante una bomba.

Producción ultrasónica de nanofluidos de sílice

Modragon et al. (2012) prepararon nanofluidos de sílice mediante la dispersión de nanopartículas de sílice en agua destilada utilizando el sonicador de sonda UP400S. Para producir nanofluidos de sílice estables con un determinado contenido de sólidos (es decir, 20%), baja viscosidad y comportamiento líquido, se requiere un tratamiento de alta energía con una sonda ultrasónica durante 5 minutos, un medio básico (valores de pH superiores a 7) y ninguna adición de sal. La dispersión ultrasónica dio lugar a nanofluidos de baja viscosidad. Los nanofluidos preparados por ultrasonidos presentaron un comportamiento líquido y se prepararon con un contenido de sólidos del 20% en muy poco tiempo, gracias a la buena dispersión obtenida mediante sonicación.
«De todos los métodos de dispersión disponibles, se ha confirmado que la dispersión con sondas ultrasónicas es el más eficaz». (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) llegaron a la misma conclusión para la desaglomeración del polvo de Aerosil: la sonda ultrasónica es el sistema de dispersión más eficaz debido a la energía altamente focalizada que se aplica.

Sonicadores para la desaglomeración y dispersión de nanopartículas de sílice

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

Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para todo tipo de aplicaciones de homogeneización y desaglomeración. En la producción de nanodispersiones, 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 completo de todos los parámetros importantes del procesamiento, como el aporte de energía, la intensidad ultrasónica, la amplitud, la presión, la temperatura y el tiempo de residencia. Así, puede ajustar los parámetros a condiciones óptimas para obtener nanodispersiones de alta calidad, como suspensiones de nanosílice.
Para cualquier volumen / capacidad: Hielscher ofrece sonicadores y una amplia gama de accesorios. Esto permite configurar el sistema ultrasónico ideal para su aplicación y capacidad de producción. Desde pequeños viales que contienen unos pocos mililitros hasta flujos de gran volumen de miles de galones por hora, Hielscher ofrece la solución ultrasónica adecuada para su proceso.
Robustez: Nuestros sistemas ultrasónicos son robustos y fiables. Todos los sonicadores Hielscher están diseñados para funcionar 24/7/365 y requieren muy poco mantenimiento.
Facilidad de uso: El sofisticado software de nuestros equipos ultrasónicos permite preseleccionar y guardar los ajustes de sonicación para un tratamiento sencillo y fiable. El menú intuitivo es fácilmente accesible mediante una pantalla táctil digital a color. El control remoto por navegador permite manejar y supervisar el equipo desde cualquier navegador de Internet. El registro automático de datos guarda los parámetros del proceso de cada ciclo de sonicación en una tarjeta SD integrada.
Excelente eficiencia energética: En comparación con otras tecnologías de dispersión, los sonicadores Hielscher destacan por su extraordinaria eficiencia energética y sus resultados superiores en la distribución del tamaño de las partículas.

El gráfico muestra la ventaja significativa de la dispersión ultrasónica de sílice con el Hielscher UIP1000 frente a un ultra-turrax. La sonicación requiere menos energía y logra tamaños de partícula de sílice drásticamente menores.

La siguiente tabla le ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores: