Désagglomération par ultrasons de nanoparticules de silice

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

Nanosilice – caractéristiques et applications

La silice (SiO₂) et en particulier les nanoparticules de silice (Si-NPs) sont des additifs courants dans de nombreuses industries. Les particules de silice de taille nanométrique offrent une très grande surface et présentent des caractéristiques particulaires uniques, qui sont exploitées dans de nombreuses industries à des fins diverses. Par exemple, les propriétés matérielles uniques du SiO₂ nanométrique sont utilisées pour renforcer des (nano)composites, du 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 le secteur du bâtiment et de la construction, la fumée de silice (microsilice) et la nanosilice sont utilisées comme matériaux hautement pouzzolaniques servant à améliorer l’ouvrabilité ainsi que les propriétés mécaniques et la durabilité du béton. Lorsque l’on compare la fumée de silice et la nanosilice, la pouzzolane nanostructurée de SiO₂ est plus active à un stade précoce que la fumée de silice, car la nanosilice offre une surface spécifique et une finesse nettement supérieures. La plus grande surface offre davantage de sites de réaction avec le béton et contribue spécifiquement à une amélioration de la microstructure du béton en agissant comme noyau. La perméabilité aux gaz, un indicateur de la durabilité du béton, est améliorée dans le béton renforcé par de la nanosilice par rapport au béton contenant de la fumée de silice traditionnelle.
En biomédecine et en sciences de la vie, les nanoparticules de SiO₂ font l’objet de nombreuses recherches pour différentes applications, car la grande surface, l’excellente biocompatibilité et la taille de pores ajustable de la nanosilice offrent un large éventail d’applications nouvelles, notamment l’administration de médicaments et la théranostique.

Le graphique montre la distribution granulométrique de la nanosilice avant (courbe verte) et après (courbe rouge) la dispersion par ultrasons.

Désagglomération et dispersion de la nanosilice par ultrasons

Le principe de fonctionnement de la désagglomération et de la dispersion par ultrasons repose sur les effets de la cavitation générée par ultrasons, scientifiquement appelée cavitation acoustique. L’application d’ultrasons de haute puissance et de basse fréquence dans des liquides ou des suspensions peut provoquer une cavitation acoustique et ainsi des conditions extrêmes, qui se manifestent localement sous forme de pressions et de températures très élevées, ainsi que de micro-courants avec des jets de liquide atteignant jusqu’à 280m/s. Ces effets physiques et mécaniques intenses de la cavitation ultrasonore provoquent une érosion à la surface des particules ainsi que la fragmentation des particules par collision interparticulaire. Ces forces intenses de la cavitation ultrasonore / 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 nanosilice, les nanotubes et d’autres nanomatériaux.

Distribution granulométrique de nanosilice désagglomérée par ultrasons (à l’aide de l’ultrasonicateur Hielscher UP400St) dans l’eau à (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% et (d) 10 wt% d’Aerosil 200 à différents intervalles de temps.
Étude et graphiques : Vikash 2020.

Traitement par ultrasons de la silice à fortes concentrations en solides et dans des liquides visqueux

La dispersion de nanoparticules à faibles concentrations constitue déjà un défi, car des forces de liaison chimique telles que les liaisons ioniques, les liaisons covalentes, les liaisons hydrogène et les interactions de van der Waals doivent être surmontées. Avec l’augmentation de la concentration en nanoparticules, par ex. en particules de nanosilice, l’interaction chimique entre les nanoparticules augmente elle aussi considérablement. Une technique de dispersion puissante est donc 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, capable de traiter facilement des suspensions à haute viscosité et même des pâtes à très forte concentration en solides. La capacité à traiter des suspensions à forte charge en nanoparticules fait de l’ultrasonication la technologie de dispersion privilégiée pour les nanomatériaux.
Les ultrasonicateurs industriels Hielscher peuvent traiter votre suspension ou votre pâte dans un réacteur en ligne continu, dès lors qu’elle peut être alimentée par une pompe.

Production de nanofluides de silice par ultrasons

Modragon et al. (2012) ont préparé des nanofluides de silice en dispersant des nanoparticules de silice dans de l’eau distillée à l’aide d’un ultrasonicateur de type sonde UP400S. Pour produire des nanofluides de silice stables avec une certaine teneur en solides (c.-à-d. 20%), une faible viscosité et un comportement de type liquide, les conditions consistent en un traitement à haute énergie avec une sonde à ultrasons pendant 5 minutes, un milieu basique (valeurs de pH supérieures à 7) et aucun ajout de sel. La dispersion par ultrasons a permis d’obtenir des nanofluides de faible viscosité. Les nanofluides préparés par ultrasons se comportaient comme un liquide et ont été préparés avec une charge en solides de 20% 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 à ultrasons s’est confirmée comme la plus efficace. » (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) sont parvenus à la même conclusion pour la désagglomération de poudre d’Aerosil, constatant que la sonde à ultrasons est le système de dispersion le plus efficace en raison de l’énergie appliquée hautement concentrée.

Ultrasonicateurs pour la désagglomération et la dispersion de nanoparticules de silice

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

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des disperseurs à ultrasons haute performance pour tout type d’application d’homogénéisation et de désagglomération. Pour la production de nanodispersions, un contrôle précis de la sonication et un traitement par ultrasons fiable de la suspension de nanoparticules sont essentiels pour obtenir des produits haute performance.
Les processeurs de Hielscher Ultrasonics vous offrent un contrôle total sur tous les paramètres de traitement importants tels que l’apport d’énergie, l’intensité ultrasonore, l’amplitude, la pression, la température et le temps de séjour. Vous pouvez ainsi ajuster les paramètres à des conditions optimisées, ce qui conduit ensuite à une nanodispersion de haute qualité, telle que des suspensions de nanosilice.
Pour tout volume / toute capacité : Hielscher propose des ultrasonicateurs et un large portefeuille d’accessoires. Cela permet de configurer le système à ultrasons idéal pour votre application et votre capacité de production. Des petits flacons contenant quelques millilitres aux flux de grand volume de plusieurs milliers de gallons par heure, Hielscher propose la solution à ultrasons adaptée à votre procédé.
Robustesse : Nos systèmes à ultrasons sont robustes et fiables. Tous les ultrasonicateurs Hielscher sont conçus pour un fonctionnement 24/7/365 et nécessitent très peu de maintenance.
Convivialité : Le logiciel élaboré de nos appareils à ultrasons permet de présélectionner et d’enregistrer les réglages de sonication pour une sonication simple et fiable. Le menu intuitif est facilement accessible via un écran tactile numérique couleur. La commande à distance par navigateur vous permet d’utiliser et de surveiller l’appareil depuis n’importe quel navigateur Internet. L’enregistrement automatique des données sauvegarde les paramètres de procédé de chaque cycle de sonication sur une carte SD intégrée.
Excellente efficacité énergétique : Comparés aux technologies de dispersion alternatives, les ultrasonicateurs Hielscher se distinguent par une efficacité énergétique exceptionnelle et des résultats supérieurs en matière de distribution granulométrique.

Le graphique montre l’avantage significatif de la dispersion par ultrasons de la silice avec le Hielscher UIP1000 par rapport à un ultra-turrax. L’ultrasonication nécessite moins d’énergie et permet d’obtenir des tailles de particules de silice considérablement plus petites.

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