Piidioksidinanohiukkasten agglomeraattien hajotus ultraäänellä

Piidioksidinanohiukkaset, kuten pyrogeeninen piidioksidi (esim. Aerosil), ovat laajalti käytetty lisäaine eri teollisuudenaloilla. Jotta saadaan täysin toimivaa nanopiidioksidia, jolla on halutut materiaaliominaisuudet, piidioksidinanohiukkasten agglomeraatit on hajotettava ja hiukkaset on dispergoitava yksittäisinä hiukkasina. Agglomeraattien hajotus ultraäänellä on osoittautunut erittäin tehokkaaksi ja luotettavaksi menetelmäksi nanopiidioksidin tasaiseen jakamiseen suspensiossa yksittäisinä hiukkasina.

Nanopiidioksidi – ominaisuudet ja sovellukset

Piidioksidi (SiO₂) ja erityisesti piidioksidinanohiukkaset (Si-NPs) ovat yleisiä lisäaineita monilla teollisuudenaloilla. Nanokokoisilla piidioksidihiukkasilla on erittäin suuri pinta-ala ja ainutlaatuisia hiukkasominaisuuksia, joita hyödynnetään monilla teollisuudenaloilla eri tarkoituksiin. Esimerkiksi nanokokoisen SiO₂ :n ainutlaatuisia materiaaliominaisuuksia hyödynnetään (nano)komposiittien, betonin ja muiden materiaalien lujittamisessa. Esimerkkejä ovat nanopiidioksidipohjaiset pinnoitteet, joilla on palonkestäviä ominaisuuksia, tai nanopiidioksidilla pinnoitettu lasi, joka saa siten heijastuksia estäviä ominaisuuksia. Rakennusteollisuudessa silikaa (mikropiidioksidia) ja nanopiidioksidia käytetään erittäin potsolaanisena materiaalina betonin työstettävyyden sekä mekaanisten ominaisuuksien ja kestävyyden parantamiseen. Kun silikaa ja nanopiidioksidia verrataan, nanorakenteinen SiO₂ -potsolaani on varhaisessa vaiheessa aktiivisempi kuin silika, koska nanopiidioksidin ominaispinta-ala on huomattavasti suurempi ja se on hienojakoisempaa. Suurempi pinta-ala tarjoaa enemmän kohtia, joissa materiaali voi reagoida betonin kanssa, ja parantaa erityisesti betonin mikrorakennetta toimimalla ydintymiskeskuksena. Kaasunläpäisevyys, joka on betonin kestävyyden indikaattori, paranee nanopiidioksidilla lujitetussa betonissa verrattuna perinteistä silikaa sisältävään betoniin.
Biolääketieteessä ja biotieteissä SiO₂ -nanohiukkasia tutkitaan laajasti eri sovelluksia varten, sillä nanopiidioksidin suuri pinta-ala, erinomainen bioyhteensopivuus ja säädettävä huokoskoko mahdollistavat monenlaisia uusia sovelluksia, kuten lääkeaineiden kuljetuksen ja teranostiikan.

Kaavio esittää nanopiidioksidin hiukkaskokojakauman ennen ultraäänidispergointia (vihreä käyrä) ja sen jälkeen (punainen käyrä).

Nanopiidioksidin agglomeraattien hajotus ja dispergointi ultraäänellä

Ultraäänellä tapahtuvan agglomeraattien hajotuksen ja dispergoinnin toimintaperiaate perustuu ultraäänellä tuotetun kavitaation vaikutuksiin. Ilmiö tunnetaan tieteellisesti akustisena kavitaationa. Suuritehoisen, matalataajuisen ultraäänen käyttö nesteissä tai lietteissä voi aiheuttaa akustista kavitaatiota ja siten äärimmäisiä olosuhteita, jotka ilmenevät paikallisesti erittäin korkeina paineina ja lämpötiloina sekä mikrovirtauksina, joissa nestesuihkujen nopeus on jopa 280m/s. Nämä ultraäänikavitaation voimakkaat fysikaaliset ja mekaaniset vaikutukset aiheuttavat hiukkasten pintojen eroosiota sekä hiukkasten rikkoutumista niiden välisten törmäysten kautta. Nämä ultraäänikavitaation / akustisen kavitaation voimakkaat voimat tekevät ultraäänikäsittelystä erittäin tehokkaan ja luotettavan menetelmän nanokokoisten hiukkasten, kuten nanopiidioksidin, nanoputkien ja muiden nanomateriaalien, agglomeraattien hajotukseen ja dispergointiin.

Ultraäänellä hajotetuista nanopiidioksidiagglomeraateista saatu hiukkaskokojakauma (käyttäen Hielscher UP400St -ultraäänilaitetta) vedessä, kun Aerosil 200:n pitoisuus on (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% ja (d) 10 wt%, eri aikaväleillä.
Tutkimus ja kaaviot: Vikash 2020.

Piidioksidin ultraäänikäsittely suurilla kiintoainepitoisuuksilla ja viskooseissa nesteissä

Nanohiukkasten dispergointi pienilläkin pitoisuuksilla on haastavaa, sillä kemiallisten sidosten voimat, kuten ionisidokset, kovalenttiset sidokset, vetysidokset ja van der Waalsin vuorovaikutukset, on voitettava. Kun nanohiukkasten, esimerkiksi nanopiidioksidihiukkasten, pitoisuus kasvaa, myös nanohiukkasten välinen kemiallinen vuorovaikutus lisääntyy merkittävästi. Tämä tarkoittaa, että tehokas dispergointimenetelmä on välttämätön hyvien ja pitkään stabiilien dispergointitulosten saavuttamiseksi. Ultraäänidispergointilaitteita käytetään luotettavana ja erittäin tehokkaana dispergointimenetelmänä, jolla voidaan helposti käsitellä suuren viskositeetin lietteitä ja jopa tahnoja, joiden kiintoainepitoisuus on erittäin suuri. Mahdollisuus käsitellä lietteitä, joissa nanohiukkasten kiintoainepitoisuus on suuri, tekee ultraäänikäsittelystä ensisijaisen dispergointitekniikan nanomateriaaleille.
Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet voivat käsitellä lietteesi tai tahnasi jatkuvatoimisessa linjareaktorissa, kunhan se voidaan syöttää pumpulla.

Piidioksidinanofluidien valmistus ultraäänellä

Modragon ym. (2012) valmistivat piidioksidinanofluideja dispergoimalla piidioksidinanohiukkasia tislattuun veteen käyttäen sonotrodilla varustettua ultraäänilaitetta UP400S. Stabiilien piidioksidinanofluidien valmistaminen tietyllä kiintoainepitoisuudella (eli 20%), pienellä viskositeetilla ja nestemäisellä käyttäytymisellä edellyttää suurienergistä käsittelyä ultraäänianturilla 5 minuutin ajan, emäksistä väliainetta (pH-arvo yli 7) ja sitä, ettei suolaa lisätä. Ultraäänidispergoinnilla saatiin nanofluideja, joiden viskositeetti oli pieni. Ultraäänellä valmistetut nanofluidit käyttäytyivät nesteen tavoin, ja niitä valmistettiin 20%:n kiintoainepitoisuudella erittäin lyhyessä ajassa ultraäänikäsittelyllä saavutetun hyvän dispergoitumisen ansiosta.
”Kaikista käytettävissä olevista dispergointimenetelmistä ultraääniantureilla tehtävä dispergointi on vahvistettu tehokkaimmaksi.” (Modragon ym., 2012)
Petzold ym. (2009) päätyivät samaan johtopäätökseen Aerosil-jauheen agglomeraattien hajotuksessa ja totesivat ultraäänianturin olevan tehokkain dispergointijärjestelmä, koska sen tuottama energia kohdistuu erittäin tarkasti.

Ultraäänilaitteet piidioksidinanohiukkasten agglomeraattien hajotukseen ja dispergointiin

Kun nanopiidioksidia käytetään teollisissa sovelluksissa, tutkimuksessa tai materiaalitieteessä, kuiva piidioksidijauhe on saatettava nestefaasiin. Nanopiidioksidin dispergointi edellyttää luotettavaa ja tehokasta dispergointimenetelmää, joka tuottaa riittävästi energiaa yksittäisten piidioksidihiukkasten agglomeraattien hajottamiseen. Ultraäänilaitteet tunnetaan tehokkaina ja luotettavina dispergointilaitteina, ja siksi niitä käytetään erilaisten materiaalien, kuten piidioksidin, nanoputkien, grafeenin, mineraalien ja monien muiden materiaalien, agglomeraattien hajottamiseen ja materiaalien tasaiseen jakamiseen nestefaasiin.

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja toimittaa suorituskykyisiä ultraäänidispergointilaitteita kaikenlaisiin homogenointi- ja agglomeraattien hajotussovelluksiin. Nanodispersioiden valmistuksessa ultraäänikäsittelyn tarkka ohjaus ja nanohiukkassuspension luotettava ultraäänikäsittely ovat välttämättömiä suorituskykyisten tuotteiden saamiseksi.
Hielscher Ultrasonicsin prosessorit antavat sinulle täyden hallinnan kaikkiin tärkeisiin käsittelyparametreihin, kuten syötettyyn energiaan, ultraäänen intensiteettiin, amplitudiin, paineeseen, lämpötilaan ja viipymäaikaan. Näin voit säätää parametrit optimoituihin olosuhteisiin, mikä johtaa laadukkaisiin nanodispersioihin, kuten nanopiidioksidilietteisiin.
Kaikille tilavuuksille / kapasiteeteille: Hielscher tarjoaa ultraäänilaitteita ja laajan valikoiman lisävarusteita. Näin voidaan määrittää sovellukseesi ja tuotantokapasiteettiisi ihanteellinen ultraäänijärjestelmä. Muutaman millilitran sisältävistä pienistä näytepulloista tuhansien gallonien tuntivirtauksiin Hielscher tarjoaa prosessiisi sopivan ultraääniratkaisun.
Kestävyys: Ultraäänijärjestelmämme ovat kestäviä ja luotettavia. Kaikki Hielscherin ultraäänilaitteet on rakennettu 24/7/365-käyttöön, ja ne vaativat erittäin vähän huoltoa.
Käyttäjäystävällisyys: Ultraäänilaitteidemme pitkälle kehitetty ohjelmisto mahdollistaa ultraäänikäsittelyn asetusten esivalinnan ja tallentamisen, mikä tekee ultraäänikäsittelystä yksinkertaista ja luotettavaa. Intuitiivista valikkoa on helppo käyttää digitaalisen värikosketusnäytön kautta. Selaimella toimivan etäohjauksen avulla voit käyttää ja valvoa laitetta millä tahansa verkkoselaimella. Automaattinen tiedontallennus tallentaa jokaisen ultraäänikäsittelyajon prosessiparametrit sisäänrakennetulle SD-kortille.
Erinomainen energiatehokkuus: Vaihtoehtoisiin dispergointitekniikoihin verrattuna Hielscherin ultraäänilaitteet erottuvat erinomaisella energiatehokkuudellaan ja ylivoimaisilla hiukkaskokojakaumatuloksillaan.

Kaavio esittää Hielscher UIP1000 -laitteella tehtävän piidioksidin ultraäänidispergoinnin merkittävän edun ultra-turraxiin verrattuna. Ultraäänikäsittely vaatii vähemmän energiaa ja tuottaa huomattavasti pienempiä piidioksidihiukkasia.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: