Silika nanoosakeste ultraheli deaglomeratsioon

Silika nanoosakesed, näiteks suitsusilika (nt Aerosil), on paljudes tööstusharudes laialdaselt kasutatav lisand. Täielikult toimiva nanosilika saamiseks soovitud materjaliomadustega tuleb silika nanoosakesed deaglomereerida ja jaotada üksikdispergeeritud osakestena. Ultraheli deaglomeratsioon on osutunud väga tõhusaks ja töökindlaks meetodiks nanosilika ühtlaseks jaotamiseks suspensioonis üksikdispergeeritud osakestena.

Nanosilika – omadused ja rakendused

Silika (SiO₂) ja eriti silika nanoosakesed (Si-NPs) on levinud lisandid paljudes tööstusharudes. Nanomõõtmelistel silikaosakestel on väga suur eripind ja neil on ainulaadsed osakeste omadused, mida kasutatakse paljudes tööstusharudes erinevatel eesmärkidel. Näiteks kasutatakse nanomõõtmelise SiO₂ ainulaadseid materjaliomadusi (nano)komposiitide, betooni ja muude materjalide tugevdamiseks. Näideteks on nanosilikapõhised katted, mis annavad tulekindlad omadused, või nanosilikaga kaetud klaas, mis saab seeläbi peegeldusvastased omadused. Ehitus- ja ehitustööstuses kasutatakse silikatolmu (mikrosilikat) ja nanosilikat tugevalt puzolaanse materjalina, mis parandab betooni töödeldavust ning mehaanilisi ja vastupidavusomadusi. Silikatolmu ja nanosilika võrdlemisel on nanostruktuurse SiO₂ puzolaan varases staadiumis aktiivsem kui silikatolm, sest nanosilikal on oluliselt suurem eripind ja peenus. Suurem pindala pakub rohkem kohti betooniga reageerimiseks ning aitab tuumana toimides eriti kaasa betooni mikrostruktuuri paranemisele. Gaasi läbilaskvus, mis on betooni vastupidavuse näitaja, on nanosilikaga tugevdatud betoonis paranenud võrreldes traditsioonilist silikatolmu sisaldava betooniga.
Biomeditsiinis ja bioteadustes uuritakse SiO₂ nanoosakesi laialdaselt erinevateks rakendusteks, sest nanosilika suur eripind, suurepärane biosobivus ja häälestatav poorisuurus pakuvad laia valikut uudseid rakendusi, sealhulgas ravimite kohaletoimetamist ja teranostikat.

Diagramm näitab nanosilika osakeste suuruse jaotust enne (roheline kõver) ja pärast (punane kõver) ultraheli dispergeerimist.

Nanosilika ultraheli deaglomeratsioon ja dispergeerimine

Ultraheli deaglomeratsiooni ja dispergeerimise tööpõhimõte põhineb ultrahelilise kavitatsiooni ehk teaduslikult akustilise kavitatsiooni mõjudel. Suure võimsusega madalsagedusliku ultraheli rakendamine vedelikes või suspensioonides võib tekitada akustilist kavitatsiooni ja sellega äärmuslikke tingimusi, mis väljenduvad lokaalselt väga kõrge rõhu ja temperatuurina ning mikrovoolamisena vedelikujugadega kuni 280m/s. Need intensiivsed füüsikalised ja mehaanilised mõjud põhjustavad ultrahelilise kavitatsiooni korral osakeste pinna erosiooni ning osakeste purunemist osakestevaheliste kokkupõrgete tõttu. Ultrahelilise / akustilise kavitatsiooni intensiivsed jõud muudavad ultraheli töötluse (sonikeerimise) väga tõhusaks ja töökindlaks meetodiks nanomõõtmeliste osakeste, näiteks nanosilika, nanotorude ja muude nanomaterjalide deaglomeratsiooniks ja dispergeerimiseks.

Ultraheliga deaglomereeritud nanosilika osakeste suuruse jaotus (kasutades Hielscheri ultraheli homogenisaatorit UP400St) vees: (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% ja (d) 10 wt% Aerosil 200 erinevatel ajavahemikel.
Uuring ja graafikud: Vikash 2020.

Silika ultraheli töötlus suure tahkisekontsentratsiooniga ja viskoossetes vedelikes

Nanoosakeste dispergeerimine madalatel kontsentratsioonidel on juba iseenesest keeruline, sest tuleb ületada keemilised sidemejõud, nagu ioonsidemed, kovalentsed sidemed, vesiniksidemed ja van der Waalsi vastasmõjud. Nanoosakeste, nt nanoräni(dioksiidi) osakeste kontsentratsiooni suurenedes suureneb oluliselt ka nanoosakeste vaheline keemiline vastasmõju. See tähendab, et head ja pikaajaliselt stabiilset dispersiooni on võimalik saavutada vaid võimsa dispergeerimistehnikaga. Ultraheli dispergaatoreid kasutatakse töökindla ja väga tõhusa dispergeerimismeetodina, mis suudab hõlpsasti töödelda suure viskoossusega suspensioone ja isegi väga suure tahkisesisaldusega pastasid. Võime töödelda suure nanoosakeste tahkisesisaldusega suspensioone teeb ultraheli töötlusest nanomaterjalide eelistatud dispergeerimistehnoloogia.
Hielscheri tööstuslikud ultraheli seadmed (sonikaatorid) suudavad töödelda teie suspensiooni või pastat pidevas in-line reaktoris seni, kuni seda saab pumbaga sööta.

Ränidioksiidi nanofluidide ultrahelitootmine

Modragon jt (2012) valmistasid ränidioksiidi nanofluide, dispergeerides ränidioksiidi nanoosakesi destilleeritud vees, kasutades sondtüüpi sonikaatorit UP400S. Madala viskoossuse ja vedelikulaadse käitumisega stabiilsete ränidioksiidi nanofluidide valmistamiseks kindla tahkisesisaldusega (st 20%) on vaja kõrge energiaga töötlust ultraheli sondiga 5 minuti jooksul, aluselist keskkonda (pH väärtused üle 7) ja soola mittelisamist. Ultraheli dispergeerimise tulemusena saadi madala viskoossusega nanofluidid. Ultraheliga valmistatud nanofluidid käitusid vedelikuna ning need valmistati 20% tahkisesisaldusega väga lühikese ajaga tänu sonikeerimisega saavutatud heale dispersioonile.
„Kõigist olemasolevatest dispergeerimismeetoditest on dispergeerimine ultraheli sondidega osutunud kõige tõhusamaks.“ (Modragon jt, 2012)
Petzold jt (2009) jõudsid Aerosili pulbri deagglomeratsiooni osas samale järeldusele, leides, et ultraheli sond on kõige tõhusam dispergeerimissüsteem tänu rakendatava energia tugevale fokuseeritusele.

Ultraheli seadmed ränidioksiidi nanoosakeste deagglomeratsiooniks ja dispergeerimiseks

Kui nanoränidioksiidi kasutatakse tööstuslikes rakendustes, teadustöös või materjaliteaduses, tuleb kuiv ränidioksiidi pulber viia vedelasse faasi. Nanoränidioksiidi dispergeerimine nõuab töökindlat ja tõhusat dispergeerimistehnikat, mis annab piisavalt energiat üksikute ränidioksiidiosakeste deagglomeratsiooniks. Ultraheli seadmed (sonikaatorid) on tuntud kui võimsad ja töökindlad dispergaatorid, mistõttu kasutatakse neid ränidioksiidi, nanotorude, grafeeni, mineraalide ja paljude teiste materjalide deagglomeratsiooniks ning ühtlaseks jaotamiseks vedelas faasis.

Hielscher Ultrasonics projekteerib, valmistab ja turustab suure jõudlusega ultraheli dispergaatoreid igasugusteks homogeniseerimis- ja deagglomeratsioonirakendusteks. Nanodispersioonide tootmisel on suure jõudlusega toodete saamiseks hädavajalik täpne sonikeerimise kontroll ja nanoosakeste suspensiooni töökindel ultraheli töötlus.
Hielscher Ultrasonicsi protsessorid annavad teile täieliku kontrolli kõigi oluliste töötlusparameetrite üle, nagu energiasisend, ultraheli intensiivsus, amplituud, rõhk, temperatuur ja viibeaeg. Seeläbi saate parameetrid seadistada optimaalseteks, mis viib omakorda kvaliteetse nanodispersioonini, näiteks nanoränidioksiidi suspensioonideni.
Mis tahes mahu / võimsuse jaoks: Hielscher pakub ultraheli seadmeid (sonikaatoreid) ja laia tarvikute valikut. See võimaldab konfigureerida teie rakenduse ja tootmisvõimsuse jaoks ideaalse ultraheli süsteemi. Alates väikestest viaalidest, mis sisaldavad mõnda milliliitrit, kuni suure mahuga voogudeni, mis ulatuvad tuhandete gallonite tunnis, pakub Hielscher teie protsessi jaoks sobivat ultraheli lahendust.
Töökindlus: Meie ultraheli süsteemid on vastupidavad ja töökindlad. Kõik Hielscheri ultraheli seadmed (sonikaatorid) on ehitatud 24/7/365 tööks ja vajavad väga vähe hooldust.
Kasutajasõbralikkus: Meie ultraheliseadmete põhjalik tarkvara võimaldab sonikeerimise sätteid eelnevalt valida ja salvestada, tagades lihtsa ja usaldusväärse ultraheli töötluse. Intuitiivne menüü on hõlpsasti kasutatav digitaalse värvilise puuteekraani kaudu. Kaugjuhtimine brauseri kaudu võimaldab seadet kasutada ja jälgida mis tahes internetibrauseri abil. Automaatne andmete salvestamine talletab iga sonikeerimistsükli protsessiparameetrid sisseehitatud SD-kaardile.
Suurepärane energiatõhusus: Võrreldes alternatiivsete dispergeerimistehnoloogiatega paistavad Hielscheri ultrahelisonikaatorid silma erakordse energiatõhususe ja parimate tulemustega osakeste suurusjaotuses.

Diagramm näitab ränidioksiidi ultraheldispergeerimise märkimisväärset eelist, kui kasutada Hielscher UIP1000 võrreldes seadmega ultra-turrax. Ultraheli töötlus vajab vähem energiat ja annab ränidioksiidi oluliselt väiksemad osakesed.

Allolev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest: