Desaglomeración ultrasónica 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 nanosílice plenamente funcional con las características deseadas del material, las nanopartículas de sílice deben desaglomerarse y distribuirse como partículas monodispersas. Se ha demostrado que la desaglomeración ultrasónica es una técnica muy eficaz y fiable para distribuir la nanosílice uniformemente como partículas dispersas en una suspensión.

nanosílice – Características y aplicaciones

Sílice (SiO₂) y especialmente las nanopartículas de sílice (Si-NPs) son aditivos comunes 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 (nano)compuestos, 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, el 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 significativamente mayores. La mayor superficie ofrece más lugares 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 nanosílice en comparación con el hormigón que contiene humo de sílice tradicional.
En biomedicina y ciencias de la vida, el SiO₂ se investigan ampliamente para diferentes aplicaciones, ya que la elevada superficie, la excelente biocompatibilidad y el tamaño de poro sintonizable 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 por ultrasonidos de nanosílice

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 cavitación acústica y, por tanto, condiciones extremas, que se manifiestan localmente como presiones y temperaturas muy elevadas, y microcorrientes con chorros de líquido de hasta 280 m/s. Estos intensos efectos físicos y mecánicos de la cavitación ultrasónica provocan la erosión de la superficie de las partículas, así como su fragmentación por colisión entre ellas. Estas intensas fuerzas de la cavitación ultrasónica/acústica hacen de la sonicación un método muy eficaz y fiable para la desaglomeración y dispersión de partículas nanométricas como la nanosílice, los nanotubos y otros nanomateriales.

Distribución granulométrica de nanosílice desaglomerada por ultrasonidos (utilizando el ultrasonicador Hielscher UP400St) en agua de (a) 1 % en peso, (b) 2 % en peso, (c) 5 % en peso y (d) 10 % en peso de Aerosil 200 en diferentes intervalos de tiempo.Estudio y gráficos: Vikash 2020.

Procesado por ultrasonidos de sílice con altas concentraciones de sólidos y en líquidos viscosos

Dispersar nanopartículas a bajas concentraciones ya es un reto, puesto que hay que superar fuerzas de enlace químico como los enlaces iónicos, los enlaces covalentes, los enlaces de hidrógeno y las interacciones de van der Waals. Al aumentar la concentración de nanopartículas, por ejemplo, de nano-partículas de sílice, también aumenta significativamente la interacción química entre las nanopartículas. 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 método de dispersión fiable y muy eficaz, que permite procesar fácilmente lodos con viscosidades elevadas e incluso pastas con concentraciones de sólidos muy altas. 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 Hielscher pueden procesar su lodo 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 preparados mediante la dispersión de nanopartículas de sílice en agua destilada utilizando la ultrasonidos con sonda UP400S. Para producir nanofluidos de sílice estables con un cierto contenido en sólidos (es decir, un 20%), de baja viscosidad y comportamiento similar al de un líquido, se recurrió a un tratamiento de alta energía con una sonda de ultrasonidos durante 5 minutos, medios básicos (valores de pH superiores a 7) y sin 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, 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 de polvo de Aerosil, encontrando que la sonda ultrasónica es el sistema de dispersión más eficaz debido a la energía altamente focalizada aplicada.

Ultrasonidos para la desaglomeración y dispersión de nanopartículas de sílice

Cuando la nanosílice se utiliza en aplicaciones industriales, investigación o ciencia de 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 homogéneamente diversos materiales como sílice, nanotubos, grafeno, minerales y muchos otros materiales 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.
Hielscher Ultrasonics’ Los procesadores le ofrecen un control total sobre todos los parámetros de procesamiento importantes, como la entrada de energía, la intensidad ultrasónica, la amplitud, la presión, la temperatura y el tiempo de retención. De este modo, se pueden ajustar los parámetros a condiciones optimizadas, lo que conduce posteriormente a una nanodispersión de alta calidad, como los lodos 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 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 de ultrasonidos son robustos y fiables. Todos los ultrasonidos de Hielscher están diseñados para funcionar 24/7/365 y requieren muy poco mantenimiento.
Facilidad de uso: El elaborado software de nuestros dispositivos ultrasónicos 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 por navegador permite manejar y supervisar el proceso 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 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 UIP1000 de Hielscher en comparación con un ultra-turrax. La ultrasonicación requiere menos energía y consigue un tamaño de partículas de sílice drásticamente menor.

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