Désagglomération ultrasonique de nanoparticules de silice

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

nanosilice – Caractéristiques et applications

La silice (SiO₂) et en particulier les nanoparticules de silice (Si-NP) sont des additifs courants dans de nombreuses industries. Les nanoparticules de silice offrent une très grande surface et présentent des caractéristiques uniques, qui sont utilisées dans de nombreuses industries à des fins diverses. Par exemple, les propriétés matérielles uniques des nanoparticules de SiO₂ sont appliquées pour renforcer les (nano-)composites, le béton et d'autres matériaux. On peut citer comme exemples les revêtements à base de nanosilice qui offrent des propriétés ignifuges ou le verre recouvert de nanosilice qui acquiert ainsi des propriétés antiréfléchissantes. 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 l'ouvrabilité ainsi que les propriétés mécaniques et de durabilité du béton. Lorsque l'on compare la fumée de silice et la nanosilice, on constate que le SiO₂ La pouzzolane est plus active à un stade précoce que la fumée de silice, car la nanosilice offre une surface spécifique et une finesse nettement plus grandes. La surface plus grande offre plus de sites pour réagir avec le béton et contribue spécifiquement à améliorer la microstructure du béton en agissant comme un noyau. La perméabilité aux 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 de pore réglable de la nanosilice offrent un large éventail d'applications nouvelles, y compris l'administration de médicaments et la théranostique.

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

Désagglomération et dispersion par ultrasons de la nano-silice

Le principe de fonctionnement de la désagglomération et de la dispersion par ultrasons repose sur les effets de la cavitation générée par les ultrasons, connue scientifiquement sous le nom de cavitation acoustique. L'application d'ultrasons à haute puissance et à basse fréquence dans des liquides ou des boues peut provoquer une cavitation acoustique et donc des conditions extrêmes, qui se manifestent localement par des pressions et des températures très élevées, ainsi que par un microstreaming 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 d'autres nanomatériaux.

Distribution de la taille des particules de nano-silice désagglomérée par ultrasons (en utilisant l'ultrasoniseur Hielscher UP400St) dans l'eau avec (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.
Etude 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 faible concentration 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 méthode de dispersion fiable et très efficace. Ils sont facilement capables de traiter des boues à haute viscosité et même des pâtes avec des concentrations solides très élevées. 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 vos boues ou vos pâtes dans un réacteur en ligne continu, à condition qu'elles puissent être alimentées par une pompe.

Production ultrasonique 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 à l'aide de la technique du ultrasonateur à sonde UP400S. Afin de produire des nanofluides de silice stables avec une certaine teneur en matières solides (c'est-à-dire 20 %), une faible viscosité et un comportement liquide similaire, il faut procéder 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 ultrasonique 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 très peu de temps grâce à la bonne dispersion obtenue par sonication.
"De toutes les méthodes de dispersion disponibles, la dispersion à l'aide de sondes ultrasoniques a été confirmée comme étant la plus efficace." (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) sont parvenus à la même conclusion pour la désagglomération de la poudre Aerosil en constatant que la sonde ultrasonique est le système de dispersion le plus efficace en raison de l'énergie hautement concentrée appliquée.

Ultrasons pour la désagglomération et la dispersion des nanoparticules de silice

Lorsque la nano-silice est utilisée dans des applications industrielles, dans la recherche ou dans 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 suffisamment d'énergie pour désagglomérer les particules de silice individuelles. Les ultrasons sont bien connus pour être des disperseurs puissants et fiables. Ils sont donc utilisés pour désagglomérer et distribuer de manière homogène divers matériaux tels que la silice, les nanotubes, le graphène, les minéraux et bien d'autres matériaux dans une phase liquide.

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des disperseurs ultrasoniques de haute performance pour tout type d'application d'homogénéisation et de désagglomération. Lors 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 Ultrasonics vous permettent de contrôler entièrement tous les paramètres de traitement importants, tels que l'apport d'énergie, l'intensité des ultrasons, 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 une nano-dispersion de haute qualité, telle que des boues de nanosilice.
Pour tout volume / capacité : Hielscher propose des appareils à ultrasons et une large gamme d'accessoires. Cela permet de configurer le système ultrasonique 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 appareils à ultrasons Hielscher sont conçus pour fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 et 365 jours par an et ne nécessitent que très peu d'entretien.
Convivialité : Le logiciel élaboré de nos appareils à ultrasons permet de présélectionner et d'enregistrer les paramètres de sonication pour une sonication simple et fiable. Le menu intuitif est facilement accessible via un écran tactile numérique coloré. La commande à distance par navigateur vous permet d'utiliser et de surveiller l'appareil via n'importe quel navigateur Internet. L'enregistrement automatique des données permet de sauvegarder les paramètres de chaque sonication sur une carte SD intégrée.
Excellente efficacité énergétique : Comparés 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.

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 beaucoup plus petites.

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