Désagglomération par ultrasons de nanoparticules de silice

Les nanoparticules de silice telles que la silice fumée (par exemple Aerosil) sont un additif largement utilisé dans diverses industries. Afin d'obtenir des nanoparticules de silice pleinement fonctionnelles et présentant les caractéristiques souhaitées, les nanoparticules de silice doivent être désagglomérées et distribuées sous forme de particules monodispersées. La désagglomération par ultrasons s'est avérée être une technique très efficace et fiable pour distribuer uniformément la nanosilice sous forme de particules uniques dans une suspension.

Nanosilica – Caractéristiques et applications

Silica powder with a beaker of water before ultrasonic dispersion.Silice (SiO2) et notamment les nanoparticules de silice (Si-NP) sont des additifs courants dans de nombreuses industries. Les particules de silice de taille nanométrique offrent une très grande surface et expriment des caractéristiques de particule uniques, qui sont utilisées dans de nombreuses industries à des fins diverses. Par exemple, les propriétés matérielles uniques des nanoparticules de SiO2 sont appliqués afin de renforcer les (nano)composites, le béton et d'autres matériaux. Citons par exemple les revêtements à base de nanosilice qui offrent des propriétés ignifuges ou le verre revêtu de nanosilice qui acquiert ainsi des propriétés antireflets. Dans l'industrie du bâtiment et de la construction, la fumée de silice (microsilice) et la nanosilice sont utilisées comme matériaux hautement pouzzolaniques pour améliorer la maniabilité ainsi que les propriétés mécaniques et de durabilité du béton. Lorsque l'on compare la fumée de silice et la nanosilice, on constate que la silice nanostructurée SiO2 La pouzzolane est plus active au stade précoce que la fumée de silice car la nanosilice offre une surface spécifique et une finesse nettement supérieures. La plus grande surface offre plus de sites pour réagir avec le béton et contribue spécifiquement à une meilleure microstructure du béton en agissant comme un noyau. La perméabilité au gaz, un indicateur de la durabilité du béton, est améliorée dans le béton renforcé avec de la nano-silice par rapport au béton contenant de la fumée de silice traditionnelle.
Dans le domaine de la biomédecine et des sciences de la vie, le SiO2 sont largement étudiées pour différentes applications, car la surface élevée, l'excellente biocompatibilité et la taille des pores ajustable de la nanosilice offrent une large gamme de nouvelles applications, notamment l'administration de médicaments et la théranostique.

Ultrasonication is a highly efficient and reliable technique for the deagglomeration and dispersion of nano-silica.

Le graphique montre la distribution de la taille des particules de nano-silice avant (courbe verte) et après (courbe rouge) la dispersion par ultrasons.

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The UIP2000hdT is a powerful ultrasonic disperser used for the deagglomeration of nano-silica with high solid loads.

Bouillies de nano-silice – avec des charges solides faibles à très élevées – peuvent être dispersés de manière fiable en utilisant l'ultrasonication. L'image montre le UIP2000hdT dans une configuration par lot.

Désagglomération et dispersion de la nano-silice par ultrasons

Le principe de fonctionnement de la désagglomération et de la dispersion par ultrasons est basé sur les effets de la cavitation générée par les ultrasons, scientifiquement connue sous le nom de cavitation acoustique. L'application d'ultrasons de haute puissance et de basse fréquence dans des liquides ou des boues peut provoquer une cavitation acoustique et, par conséquent, des conditions extrêmes, qui se traduisent localement par des pressions et des températures très élevées, ainsi que par un micro courant avec des jets de liquide pouvant atteindre 280 m/s. Ces effets physiques et mécaniques intenses de la cavitation ultrasonique provoquent l'érosion de la surface des particules ainsi que l'éclatement des particules par collision interparticulaire. Ces forces intenses de cavitation ultrasonique/acoustique font de la sonication une méthode très efficace et fiable pour la désagglomération et la dispersion de particules de taille nanométrique telles que la nano-silice, les nanotubes et autres nanomatériaux.

Ultrasonic deagglomeration and dispersion of nano-silica results in uniformly distributed SiO2 nanoparticles

Distribution de la taille des particules de nano-silice désagglomérée par ultrasons (en utilisant l'ultrasoniseur Hielscher UP400St) dans l'eau de (a) 1 % en poids, (b) 2 % en poids, (c) 5 % en poids, et (d) 10 % en poids d'Aerosil 200 à différents intervalles de temps.
Étude et graphiques : Vikash 2020.

Traitement par ultrasons de la silice à forte concentration de solides et dans des liquides visqueux
La dispersion des nanoparticules à de faibles concentrations est déjà un défi car il faut surmonter les forces de liaison chimique telles que les liaisons ioniques, les liaisons covalentes, les liaisons hydrogène et les interactions de van der Waals. Avec l'augmentation de la concentration des nanoparticules, par exemple des nanoparticules de silice, l'interaction chimique entre les nanoparticules augmente également de manière significative. Cela signifie qu'une technique de dispersion puissante est essentielle pour obtenir de bons résultats de dispersion, stables à long terme. Les disperseurs à ultrasons sont utilisés comme une méthode de dispersion fiable et très efficace, capable de traiter des boues à haute viscosité et même des pâtes à très haute concentration de solides. La capacité de traiter des boues avec des charges solides élevées de nanoparticules fait de l'ultrasonication la technologie de dispersion préférée pour les nanomatériaux.
Les ultrasons industriels Hielscher peuvent traiter votre boue ou votre pâte dans un réacteur en ligne continu, à condition qu'elle puisse être alimentée par une pompe.

Production par ultrasons de nanofluides de silice

Modragon et al. (2012) ont préparé des nanofluides de silice en dispersant des nanoparticules de silice dans de l'eau distillée en utilisant la méthode de la ultrasoniseur à sonde UP400S. Afin de produire des nanofluides de silice stables avec une certaine teneur en solides (c'est-à-dire 20 %), avec une faible viscosité et un comportement similaire à celui d'un liquide, on a procédé à un traitement à haute énergie avec une sonde à ultrasons pendant 5 minutes, dans un milieu basique (pH supérieur à 7) et sans ajout de sel. La dispersion par ultrasons a permis d'obtenir des nanofluides à faible viscosité. Les nanofluides préparés par ultrasons se sont comportés comme des liquides et ont été préparés avec 20 % de charge solide en un temps très court grâce à la bonne dispersion obtenue par sonication.
"De toutes les méthodes de dispersion disponibles, la dispersion avec des sondes à ultrasons a été confirmée comme la plus efficace." (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) sont arrivés à la même conclusion pour la désagglomération de la poudre Aerosil, en constatant que la sonde à ultrasons est le système de dispersion le plus efficace en raison de l'énergie hautement focalisée appliquée.

Nano-dispersion par ultrasons avec l'ultrasoniseur UP400ST

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Ultrasons pour la désagglomération et la dispersion des nanoparticules de silice

Lorsque la nano-silice est utilisée dans des applications industrielles, la recherche ou la science des matériaux, la poudre de silice sèche doit être incorporée dans une phase liquide. La dispersion de la nano-silice nécessite une technique de dispersion fiable et efficace, qui applique une énergie suffisante pour désagglomérer les particules de silice individuelles. Les ultrasons sont connus pour être des disperseurs puissants et fiables, et sont donc utilisés pour désagglomérer et distribuer de manière homogène divers matériaux tels que la silice, les nanotubes, le graphène, les minéraux et de nombreux autres matériaux dans une phase liquide.

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des disperseurs à ultrasons de haute performance pour tout type d'application d'homogénéisation et de désagglomération. Lorsqu'il s'agit de la production de nano-dispersions, un contrôle précis de la sonication et un traitement ultrasonique fiable de la suspension de nanoparticules sont essentiels pour obtenir des produits de haute performance.
Les processeurs de Hielscher Ultrasons vous donnent un contrôle total sur tous les paramètres de traitement importants tels que l'entrée d'énergie, l'intensité ultrasonique, l'amplitude, la pression, la température et le temps de rétention. Vous pouvez ainsi ajuster les paramètres à des conditions optimales, ce qui permet d'obtenir des nano-dispersions de haute qualité, comme les boues de nanosilice.
Pour tout volume / capacité : Hielscher propose des ultrasons et un large éventail d'accessoires. Cela permet de configurer le système à ultrasons idéal pour votre application et votre capacité de production. Qu'il s'agisse de petits flacons contenant quelques millilitres ou de flux à haut volume de plusieurs milliers de gallons par heure, Hielscher propose la solution ultrasonique adaptée à votre processus.
Robustesse : Nos systèmes à ultrasons sont robustes et fiables. Tous les ultrasonateurs Hielscher sont conçus pour fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 et 365 jours par an et ne nécessitent que très peu de maintenance.
Convivialité : Le logiciel élaboré de nos appareils à ultrasons permet la présélection et la sauvegarde des réglages de sonication pour une sonication simple et fiable. Le menu intuitif est facilement accessible via un écran tactile numérique de couleur. La télécommande du navigateur vous permet d'utiliser et de contrôler l'appareil via n'importe quel navigateur Internet. L'enregistrement automatique des données sauvegarde les paramètres de traitement de toute sonication exécutée sur une carte SD intégrée.
Excellente efficacité énergétique : Par rapport aux autres technologies de dispersion, les ultrasons Hielscher se distinguent par une efficacité énergétique exceptionnelle et des résultats supérieurs en matière de distribution de la taille des particules.

Ultrasonication excels the ultra-turrax in energy efficiency and particle size reduction of silica nanoparticles significantly.

Le graphique montre l'avantage significatif de la dispersion ultrasonique de la silice avec le Hielscher UIP1000 par rapport à un ultra-turrax. La dispersion par ultrasons nécessite moins d'énergie et permet d'obtenir des particules de silice de taille nettement inférieure.

Pourquoi Hielscher Ultrasonics?

  • haute efficacité
  • Une technologie de pointe
  • fiabilité & robustesse
  • lot & en ligne
  • pour tout volume – de petites fioles à des chargements de camions par heure
  • Scientifiquement prouvé
  • logiciels intelligents
  • des fonctions intelligentes (par exemple, l'enregistrement des données)
  • CIP (clean-in-place)

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
1 à 500 ml 10 à 200 ml / min UP100H
10 à 2000mL 20 à 400 ml / min UP200Ht, UP400St
0.1 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000hdT
n / a. 10 à 100 litres / min UIP16000
n / a. plus grand groupe de UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs ultrasoniques à haute performance pour des applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.

Littérature / Références




High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance à partir d'une technologie de pointe. laboratoires à taille industrielle.