کلوخه‌زدایی فراصوتی نانوذرات سیلیکا
نانوذرات سیلیکا، مانند سیلیکای دودزا (برای مثال Aerosil)، از افزودنی‌های پرکاربرد در صنایع مختلف هستند. برای دستیابی به نانوسیلیکایی با عملکرد کامل و ویژگی‌های ماده‌ای مطلوب، نانوذرات سیلیکا باید کلوخه‌زدایی شوند و به‌صورت ذرات منفرد پراکنده توزیع شوند. ثابت شده است که کلوخه‌زدایی فراصوتی روشی بسیار کارآمد و قابل‌اعتماد برای توزیع یکنواخت نانوسیلیکا به‌صورت ذرات منفرد پراکنده در یک سوسپانسیون است.
نانوسیلیکا – ویژگی‌ها و کاربردها
سیلیکا (SiO2) و به‌ویژه نانوذرات سیلیکا (Si-NPs) از افزودنی‌های رایج در بسیاری از صنایع هستند. ذرات سیلیکا در ابعاد نانو سطح بسیار بزرگی دارند و ویژگی‌های ذره‌ای منحصربه‌فردی از خود نشان می‌دهند که در بسیاری از صنایع برای مقاصد گوناگون به کار می‌روند. برای مثال، خواص منحصربه‌فرد SiO2 در ابعاد نانو برای تقویت (نانو)کامپوزیت‌ها، بتن و سایر مواد به کار می‌روند. از جمله نمونه‌ها می‌توان به پوشش‌های مبتنی بر نانوسیلیکا با خواص ضدحریق یا شیشه‌های پوشش‌داده‌شده با نانوسیلیکا اشاره کرد که به این ترتیب خواص ضدبازتاب پیدا می‌کنند. در صنعت ساختمان و ساخت‌وساز، دودهٔ سیلیسی (میکروسیلیکا) و نانوسیلیکا به‌عنوان موادی با فعالیت پوزولانی بالا برای بهبود کارایی بتن و نیز خواص مکانیکی و دوام آن به کار می‌روند. در مقایسهٔ دودهٔ سیلیسی و نانوسیلیکا، پوزولان نانوساختار SiO2 در مراحل اولیه فعال‌تر از دودهٔ سیلیسی است، زیرا نانوسیلیکا سطح ویژه و ریزی به‌مراتب بیشتری دارد. سطح بزرگ‌تر، محل‌های بیشتری برای واکنش با بتن فراهم می‌کند و به‌ویژه با ایفای نقش هستهٔ جوانه‌زنی، به بهبود ریزساختار بتن کمک می‌کند. نفوذپذیری گاز، که شاخصی برای دوام بتن است، در بتن تقویت‌شده با نانوسیلیکا در مقایسه با بتن حاوی دودهٔ سیلیسی متداول بهبود می‌یابد.
در زیست‌پزشکی و علوم زیستی، نانوذرات SiO2 برای کاربردهای مختلف به‌طور گسترده بررسی می‌شوند، زیرا سطح زیاد، زیست‌سازگاری عالی و اندازهٔ قابل‌تنظیم منافذ نانوسیلیکا، طیف گسترده‌ای از کاربردهای نوین، از جمله دارورسانی و تشخیص و درمان تلفیقی، را فراهم می‌کند.
نمودار، توزیع اندازهٔ ذرات نانوسیلیکا را پیش از پراکنده‌سازی فراصوتی (منحنی سبز) و پس از آن (منحنی قرمز) نشان می‌دهد.
دوغاب‌های نانوسیلیکا – با بار جامد کم تا بسیار زیاد – را می‌توان با استفاده از فراصوت‌دهی به‌طور قابل‌اعتماد پراکنده کرد. تصویر، دستگاه UIP2000hdT را در یک آرایش ناپیوسته نشان می‌دهد.
کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی فراصوتی نانوسیلیکا
اصل عملکرد کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی فراصوتی بر اثرات کاویتاسیون ایجادشده با فراصوت استوار است که در اصطلاح علمی، کاویتاسیون آکوستیکی نامیده می‌شود. اعمال فراصوت پرتوان و کم‌فرکانس به مایعات یا دوغاب‌ها می‌تواند کاویتاسیون آکوستیکی ایجاد کند و در نتیجه شرایط شدیدی به وجود آورد که به‌صورت موضعی شامل فشارها و دماهای بسیار بالا و ریزجریان‌هایی با جت‌های مایع با سرعت تا 280m/s است. این اثرات فیزیکی و مکانیکی شدید کاویتاسیون فراصوتی باعث فرسایش سطح ذرات و همچنین خردشدن ذرات بر اثر برخورد بین‌ذره‌ای می‌شوند. این نیروهای شدید کاویتاسیون فراصوتی / آکوستیکی، فراصوت‌دهی را به روشی بسیار کارآمد و قابل‌اعتماد برای کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی ذرات نانومتری مانند نانوسیلیکا، نانولوله‌ها و سایر نانومواد تبدیل می‌کنند.
توزیع اندازهٔ ذرات نانوسیلیکای کلوخه‌زدایی‌شده با فراصوت (با استفاده از دستگاه فراصوت Hielscher UP400St) در آب، با غلظت‌های (a) 1 wt%، (b) 2 wt%، (c) 5 wt% و (d) 10 wt% از Aerosil 200 در فواصل زمانی مختلف.
پژوهش و نمودارها: Vikash 2020.
پردازش فراصوتی سیلیکا با غلظت‌های بالای جامد و در مایعات گرانرو
پراکنده‌سازی نانوذرات حتی در غلظت‌های پایین نیز چالش‌برانگیز است، زیرا باید بر نیروهای پیوند شیمیایی مانند پیوندهای یونی، پیوندهای کووالانسی، پیوندهای هیدروژنی و برهم‌کنش‌های واندروالس غلبه کرد. با افزایش غلظت نانوذرات، برای مثال ذرات نانوسیلیکا، برهم‌کنش شیمیایی میان نانوذرات نیز به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. این بدان معناست که برای دستیابی به نتایج مطلوب پراکنده‌سازی با پایداری بلندمدت، استفاده از روشی قدرتمند ضروری است. پراکنده‌سازهای فراصوتی به‌عنوان روشی قابل‌اعتماد و بسیار مؤثر برای پراکنده‌سازی به کار می‌روند و به‌آسانی قادر به پردازش دوغاب‌های دارای گرانروی بالا و حتی خمیرهایی با غلظت بسیار بالای جامد هستند. قابلیت پردازش دوغاب‌هایی با بار بالای نانوذرات جامد، فراصوت‌دهی را به فناوری ترجیحی برای پراکنده‌سازی نانومواد تبدیل می‌کند.
دستگاه‌های فراصوت صنعتی Hielscher می‌توانند دوغاب یا خمیر شما را، تا زمانی که با پمپ قابل‌تغذیه باشد، در یک راکتور درون‌خطی پیوسته پردازش کنند.
تولید فراصوتی نانوسیالات سیلیکا
Modragon و همکاران (2012) نانوسیالات سیلیکا را با پراکنده‌سازی نانوذرات سیلیکا در آب مقطر با استفاده از دستگاه فراصوت پروبی UP400S تهیه کردند. برای تولید نانوسیالات سیلیکای پایدار با محتوای جامد مشخص (یعنی 20%)، گرانروی پایین و رفتار مایع‌مانند، از تیمار پرانرژی با پروب فراصوت به‌مدت 5 دقیقه، محیط قلیایی (مقادیر pH بالاتر از 7) و بدون افزودن نمک استفاده می‌شود. پراکنده‌سازی فراصوتی به تولید نانوسیالاتی با گرانروی پایین منجر شد. نانوسیالات تهیه‌شده با فراصوت رفتاری مایع‌مانند داشتند و به‌لطف پراکنده‌سازی مطلوب حاصل از فراصوت‌دهی، با بار جامد 20% در زمانی بسیار کوتاه تهیه شدند.
«از میان تمام روش‌های پراکنده‌سازی موجود، پراکنده‌سازی با پروب‌های فراصوت به‌عنوان مؤثرترین روش تأیید شده است.» (Modragon et al., 2012)
Petzold و همکاران (2009) نیز دربارهٔ کلوخه‌زدایی پودر Aerosil به همین نتیجه رسیدند و دریافتند که پروب فراصوت، به‌دلیل اعمال انرژی بسیار متمرکز، مؤثرترین سامانهٔ پراکنده‌سازی است.
دستگاه‌های فراصوت برای کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی نانوذرات سیلیکا
هنگامی که نانوسیلیکا در کاربردهای صنعتی، پژوهش یا علم مواد استفاده می‌شود، پودر خشک سیلیکا باید وارد یک فاز مایع شود. پراکنده‌سازی نانوسیلیکا به روشی قابل‌اعتماد و مؤثر نیاز دارد که انرژی کافی برای کلوخه‌زدایی و جداسازی ذرات منفرد سیلیکا اعمال کند. دستگاه‌های فراصوت به‌عنوان پراکنده‌سازهایی قدرتمند و قابل‌اعتماد شناخته شده‌اند؛ ازاین‌رو برای کلوخه‌زدایی و توزیع همگن مواد مختلف مانند سیلیکا، نانولوله‌ها، گرافن، مواد معدنی و بسیاری از مواد دیگر در یک فاز مایع به کار می‌روند.
Hielscher Ultrasonics پراکنده‌سازهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای انواع کاربردهای همگن‌سازی و کلوخه‌زدایی طراحی، تولید و عرضه می‌کند. در تولید نانوپراکنه‌ها، کنترل دقیق فراصوت‌دهی و تیمار فراصوتی قابل‌اعتماد سوسپانسیون نانوذرات برای دستیابی به محصولاتی با عملکرد بالا ضروری است.
پردازشگرهای Hielscher Ultrasonics کنترل کامل تمام پارامترهای مهم پردازش، مانند انرژی ورودی، شدت فراصوت، دامنه، فشار، دما و زمان ماند را در اختیار شما قرار می‌دهند. به این ترتیب می‌توانید پارامترها را برای شرایط بهینه تنظیم کنید که در نهایت به تولید نانوپراکنه‌هایی با کیفیت بالا، مانند دوغاب‌های نانوسیلیکا، منجر می‌شود.
برای هر حجم / ظرفیت: Hielscher دستگاه‌های فراصوت و مجموعهٔ گسترده‌ای از لوازم جانبی را عرضه می‌کند. این امکان، پیکربندی سامانهٔ فراصوتی ایدئال را برای کاربرد و ظرفیت تولید شما فراهم می‌سازد. از ویال‌های کوچک حاوی چند میلی‌لیتر تا جریان‌های پرحجم هزاران گالن در ساعت، Hielscher راهکار فراصوتی مناسب فرایند شما را ارائه می‌دهد.
استحکام: سامانه‌های فراصوتی ما مستحکم و قابل‌اعتماد هستند. تمام دستگاه‌های فراصوت Hielscher برای کارکرد 24/7/365 ساخته شده‌اند و به نگهداری بسیار کمی نیاز دارند.
سهولت استفاده: نرم‌افزار پیشرفتهٔ دستگاه‌های فراصوت ما امکان انتخاب از پیش و ذخیرهٔ تنظیمات فراصوت‌دهی را برای اجرای ساده و قابل‌اعتماد آن فراهم می‌کند. منوی کاربرپسند از طریق نمایشگر لمسی رنگی دیجیتال به‌آسانی در دسترس است. کنترل از راه دور مبتنی بر مرورگر به شما امکان می‌دهد از طریق هر مرورگر اینترنتی دستگاه را راهبری و پایش کنید. ثبت خودکار داده‌ها، پارامترهای فرایند هر نوبت فراصوت‌دهی را روی کارت SD داخلی ذخیره می‌کند.
بهره‌وری انرژی عالی: در مقایسه با فناوری‌های جایگزین پراکنده‌سازی، دستگاه‌های فراصوت Hielscher از نظر بهره‌وری چشمگیر انرژی و نتایج برتر در توزیع اندازهٔ ذرات، ممتاز هستند.
نمودار، مزیت چشمگیر پراکنده‌سازی فراصوتی سیلیکا با Hielscher UIP1000 را در مقایسه با ultra-turrax نشان می‌دهد. فراصوت‌دهی به انرژی کمتری نیاز دارد و ذرات سیلیکایی با اندازهٔ به‌مراتب کوچک‌تر ایجاد می‌کند.
- کارایی بالا
- فناوری روز
- قابلیت اطمینان و استحکام
- ناپیوسته و درون‌خطی
- برای هر حجم – از ویال‌های کوچک تا چندین محمولهٔ کامیون در ساعت
- اثبات‌شده از نظر علمی
- نرم‌افزار هوشمند
- قابلیت‌های هوشمند (برای مثال ثبت داده‌ها)
- CIP (شست‌وشو در محل)
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوت ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس‌های آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- Vikash, Vimal Kumar (2020): Ultrasonic-assisted de-agglomeration and power draw characterization of silica nanoparticles. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 65, 2020.
- Rosa Mondragon, J. Enrique Julia, Antonio Barba, Juan Carlos Jarque (2012): Characterization of silica–water nanofluids dispersed with an ultrasound probe: A study of their physical properties and stability. Powder Technology, Volume 224, 2012. 138-146.
- Pohl, Markus; Schubert, Helmar (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions. PARTEC 2004.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.