פירוק אגלומרטים אולטרסוני של ננו-חלקיקי סיליקה

ננו-חלקיקי סיליקה, כגון סיליקה פירוגנית (למשל Aerosil), הם תוסף נפוץ בתעשיות שונות. כדי לקבל ננו-סיליקה בעלת תפקוד מלא ותכונות החומר הרצויות, יש לפרק את האגלומרטים של ננו-חלקיקי הסיליקה ולפזר אותם כחלקיקים בודדים. פירוק אגלומרטים אולטרסוני הוכח כטכניקה יעילה ואמינה ביותר לפיזור אחיד של ננו-סיליקה כחלקיקים בודדים בתרחיף.

ננו-סיליקה – מאפיינים ויישומים

סיליקה (SiO₂) ובייחוד ננו-חלקיקי סיליקה (Si-NPs) הם תוספים נפוצים בתעשיות רבות. חלקיקי סיליקה בגודל ננומטרי מציעים שטח פנים גדול מאוד ומפגינים תכונות חלקיקים ייחודיות, המשמשות בתעשיות רבות למטרות שונות. לדוגמה, תכונות החומר הייחודיות של SiO₂ בגודל ננומטרי משמשות לחיזוק חומרים מרוכבים (וננו-מרוכבים), בטון וחומרים אחרים. דוגמאות לכך הן ציפויים מבוססי ננו-סיליקה המקנים עמידות בפני אש, או זכוכית המצופה בננו-סיליקה וכך מקבלת תכונות נוגדות החזרה. בענף הבנייה משתמשים בסיליקה פיום (מיקרו-סיליקה) ובננו-סיליקה כחומרים בעלי פעילות פוצולנית גבוהה לשיפור עבידות הבטון וכן לשיפור תכונותיו המכניות ועמידותו לאורך זמן. בהשוואה בין סיליקה פיום לננו-סיליקה, הפוצולן בעל המבנה הננומטרי מסוג SiO₂ פעיל יותר בשלב מוקדם מסיליקה פיום, משום שלננו-סיליקה שטח פנים סגולי גדול במידה ניכרת ודרגת דקות גבוהה במידה ניכרת. שטח הפנים הגדול יותר מספק יותר אתרים לתגובה עם הבטון ותורם במיוחד לשיפור מבנהו המיקרוסקופי של הבטון באמצעות פעולה כגרעין התהוות. חדירות הגזים, מדד לעמידות הבטון לאורך זמן, משתפרת בבטון המחוזק בננו-סיליקה בהשוואה לבטון המכיל סיליקה פיום מסורתית.
בתחומי הביו-רפואה ומדעי החיים, ננו-חלקיקי SiO₂ נחקרים בהרחבה למגוון יישומים, משום ששטח הפנים הגדול, התאימות הביולוגית המצוינת וגודל הנקבוביות הניתן לכוונון של ננו-סיליקה מאפשרים מגוון רחב של יישומים חדשניים, ובהם הולכת תרופות ותרנוסטיקה.

התרשים מציג את התפלגות גודל החלקיקים של ננו-סיליקה לפני פיזור אולטרסוני (העקומה הירוקה) ואחריו (העקומה האדומה).

פירוק אגלומרטים ופיזור אולטרסוניים של ננו-סיליקה

עקרון הפעולה של פירוק אגלומרטים ופיזור אולטרסוניים מבוסס על השפעות הקוויטציה הנוצרת באמצעות אולטרסאונד, המוכרת במדע כקוויטציה אקוסטית. הפעלת אולטרסאונד בהספק גבוה ובתדר נמוך בנוזלים או בתרחיפים עשויה לגרום לקוויטציה אקוסטית, ובעקבותיה לתנאים קיצוניים המופיעים באופן מקומי כלחצים וטמפרטורות גבוהים מאוד, ולזרימות זעירות עם סילוני נוזל במהירות של עד 280m/s. השפעות פיזיקליות ומכניות עזות אלה של קוויטציה אולטרסונית גורמות לשחיקה בפני השטח של החלקיקים וכן לניפוץ חלקיקים עקב התנגשויות בין חלקיקים. כוחות עזים אלה של קוויטציה אולטרסונית / אקוסטית הופכים את הסוניקציה לשיטה יעילה ואמינה ביותר לפירוק אגלומרטים ולפיזור של חלקיקים בגודל ננומטרי, כגון ננו-סיליקה, ננו-צינוריות וננו-חומרים אחרים.

התפלגות גודל החלקיקים של ננו-סיליקה שעברה פירוק אגלומרטים אולטרסוני (באמצעות מכשיר האולטרסאונד UP400St של Hielscher) במים, בריכוזי Aerosil 200 של (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% ו-(d) 10 wt%, במרווחי זמן שונים.
מחקר וגרפים: Vikash 2020.

עיבוד אולטרסוני של סיליקה בריכוזי מוצקים גבוהים ובנוזלים צמיגים

פיזור ננו־חלקיקים בריכוזים נמוכים הוא כבר אתגר, שכן יש להתגבר על כוחות קשר כימיים כגון קשרים יוניים, קשרים קוולנטיים, קשרי מימן ואינטראקציות ואן דר ואלס. ככל שריכוז הננו־חלקיקים, למשל חלקיקי ננו־סיליקה, עולה, גם האינטראקציה הכימית בין הננו־חלקיקים מתחזקת במידה ניכרת. משמעות הדבר היא שטכניקת פיזור רבת־עוצמה חיונית להשגת תוצאות פיזור טובות ויציבות לאורך זמן. מפזרים אולטרסוניים משמשים כשיטת פיזור אמינה ויעילה ביותר, המאפשרת לעבד בקלות תרחיפים בעלי צמיגות גבוהה ואף משחות בעלות ריכוזי מוצקים גבוהים מאוד. היכולת לעבד תרחיפים בעלי תכולת מוצקים גבוהה של ננו־חלקיקים הופכת את הטיפול האולטרסוני לטכנולוגיית הפיזור המועדפת עבור ננו־חומרים.
המכשירים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לעבד את התרחיף או המשחה שלכם בכור רציף המותקן בקו, כל עוד ניתן להזין אותם באמצעות משאבה.

ייצור אולטרסוני של ננו־נוזלי סיליקה

Modragon ועמיתיו (2012) הכינו ננו־נוזלי סיליקה שהוכנו באמצעות פיזור ננו־חלקיקי סיליקה במים מזוקקים בעזרת המכשיר האולטרסוני בעל הגשושית UP400S. כדי לייצר ננו־נוזלי סיליקה יציבים בעלי תכולת מוצקים מסוימת (כלומר, 20%), צמיגות נמוכה והתנהגות דמוית נוזל, תנאי ההכנה כוללים טיפול באנרגיה גבוהה באמצעות גשושית אולטרסונית במשך 5 דקות, סביבה בסיסית (ערכי pH גבוהים מ־7) ואי־הוספת מלח. הפיזור האולטרסוני הניב ננו־נוזלים בעלי צמיגות נמוכה. ננו־הנוזלים שהוכנו בטיפול אולטרסוני התנהגו כנוזל והוכנו בתכולת מוצקים של 20% בתוך זמן קצר מאוד, הודות לפיזור הטוב שהושג באמצעות סוניקציה.
״מבין כל שיטות הפיזור הזמינות, פיזור באמצעות גשושיות אולטרסוניות אושר כשיטה היעילה ביותר.״ (Modragon et al., 2012)
Petzold ועמיתיו (2009) הגיעו לאותה מסקנה לגבי פירוק אגלומרטים של אבקת Aerosil, ומצאו שהגשושית האולטרסונית היא מערכת הפיזור היעילה ביותר בשל האנרגיה הממוקדת ביותר המופעלת.

מכשירים אולטרסוניים לפירוק אגלומרטים ולפיזור של ננו־חלקיקי סיליקה

כאשר משתמשים בננו־סיליקה ביישומים תעשייתיים, במחקר או במדע החומרים, יש לשלב את אבקת הסיליקה היבשה בפאזה נוזלית. פיזור ננו־סיליקה דורש טכניקת פיזור אמינה ויעילה, המפעילה אנרגיה מספקת לפירוק האגלומרטים לחלקיקי הסיליקה הבודדים. מכשירים אולטרסוניים מוכרים היטב כמפזרים רבי־עוצמה ואמינים, ולכן משמשים לפירוק אגלומרטים ולפיזור אחיד של חומרים שונים כגון סיליקה, ננו־צינוריות, גרפן, מינרלים וחומרים רבים אחרים בתוך פאזה נוזלית.

Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומשווקת מפזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לכל סוג של יישומי הומוגניזציה ופירוק אגלומרטים. בייצור ננו־דיספרסיות, בקרה מדויקת על הסוניקציה וטיפול אולטרסוני אמין בתרחיף הננו־חלקיקים חיוניים להשגת מוצרים בעלי ביצועים גבוהים.
המעבדים של Hielscher Ultrasonics מעניקים לכם שליטה מלאה בכל פרמטרי העיבוד החשובים, כגון תשומת האנרגיה, העוצמה האולטרסונית, המשרעת, הלחץ, הטמפרטורה וזמן השהייה. כך תוכלו להתאים את הפרמטרים לתנאים מיטביים, ובהמשך להשיג ננו־דיספרסיות באיכות גבוהה, כגון תרחיפי ננו־סיליקה.
לכל נפח / כושר עיבוד: Hielscher מציעה מכשירים אולטרסוניים ומבחר רחב של אביזרים. כך ניתן להרכיב את המערכת האולטרסונית האידיאלית עבור היישום וכושר הייצור שלכם. מבקבוקונים קטנים המכילים מיליליטרים אחדים ועד לזרימות בנפח גבוה של אלפי גלונים לשעה, Hielscher מציעה את הפתרון האולטרסוני המתאים לתהליך שלכם.
עמידות: המערכות האולטרסוניות שלנו עמידות ואמינות. כל המכשירים האולטרסוניים של Hielscher בנויים לפעולה 24/7/365 ודורשים תחזוקה מועטה מאוד.
ידידותיות למשתמש: התוכנה המתקדמת של המכשירים האולטרסוניים שלנו מאפשרת בחירה מראש ושמירה של הגדרות סוניקציה לביצוע סוניקציה פשוטה ואמינה. התפריט האינטואיטיבי נגיש בקלות באמצעות צג מגע דיגיטלי צבעוני. השליטה מרחוק באמצעות דפדפן מאפשרת לכם להפעיל את המכשיר ולנטר אותו באמצעות כל דפדפן אינטרנט. רישום נתונים אוטומטי שומר את פרמטרי התהליך של כל מחזור סוניקציה בכרטיס SD מובנה.
יעילות אנרגטית מצוינת: בהשוואה לטכנולוגיות פיזור חלופיות, מכשירי הסוניקציה של Hielscher מצטיינים ביעילות אנרגטית יוצאת דופן ובתוצאות מעולות בהתפלגות גודל החלקיקים.

התרשים מציג את היתרון המשמעותי של פיזור אולטרסוני של סיליקה באמצעות Hielscher UIP1000 בהשוואה למכשיר ultra-turrax. סוניקציה דורשת פחות אנרגיה ומשיגה חלקיקי סיליקה קטנים בהרבה.

הטבלה שלהלן נותנת אינדיקציה לכושר העיבוד המשוער של מכשירי הסוניקציה שלנו: