deagglomeration קולי של ננו-חלקיקי סיליקה

ננו-חלקיקי סיליקה כגון סיליקה fumed (למשל Aerosil) הם תוסף בשימוש נרחב בתעשיות שונות. על מנת לקבל ננו-סיליקה מתפקדת במלואה עם מאפייני החומר הרצויים, יש לפרוק את חלקיקי הסיליקה ולהפיץ אותם כחלקיקים בעלי פיזור יחיד. פירוק על-קולי הוכח כטכניקה יעילה ואמינה ביותר לפיזור ננו-סיליקה באופן אחיד כחלקיקים בעלי פיזור יחיד בתרחיף.

ננו-סיליקה – מאפיינים ויישומים

סיליקה (SiO₂) ובמיוחד חלקיקי סיליקה (Si-NPs) הם תוספים נפוצים בתעשיות רבות. חלקיקי סיליקה בגודל ננומטרי מציעים שטח פנים גדול מאוד ומבטאים מאפייני חלקיקים ייחודיים, המשמשים בתעשיות רבות למטרות שונות. לדוגמה, תכונות החומר הייחודיות של SiO בגודל ננומטרי₂ מיושמים על מנת לחזק (ננו) חומרים מרוכבים, בטון וחומרים אחרים. דוגמאות לכך הן ציפויים מבוססי ננו-סיליקה המציעים תכונות חסינות אש, או זכוכית המצופה בננו-סיליקה המקבלת תכונות אנטי-רפלקטיביות. בתעשיית הבניין והבנייה, אדי סיליקה (מיקרוסיליקה) וננו-סיליקה משמשים כחומר פוצולני מאוד המשמש לשיפור יכולת העבודה, כמו גם תכונות מכניות ועמידות של בטון. כאשר משווים את אדי הסיליקה והננו-סיליקה, ה-SiO הננו-מבני₂ פוצולן פעיל יותר בשלב מוקדם מאשר אדי סיליקה מכיוון שננוסיליקה מציעה שטח פנים ספציפי גדול משמעותית ועדינות. שטח הפנים הגדול יותר מציע יותר אתרים להגיב עם הבטון ותורם במיוחד למיקרו-מבנה בטון משופר על ידי פעולה כגרעין. חדירות הגז, אינדיקטור לעמידות הבטון, משופרת בבטון המחוזק בננו-סיליקה בהשוואה לבטון המכיל אדי סיליקה מסורתיים.
בביו-רפואה ובמדעי החיים, SiO₂ ננו-חלקיקים נחקרים באופן נרחב עבור יישומים שונים מכיוון ששטח הפנים הגבוה, התאימות הביולוגית המצוינת וגודל הנקבוביות של ננו-סיליקה מציעים מגוון רחב של יישומים חדשניים, כולל העברת תרופות ותרנוסטיקה (theranostics).

התרשים מציג את התפלגות גודל החלקיקים של ננו-סיליקה לפני (עקומה ירוקה) ואחרי (עקומה אדומה) פיזור על-קולי.

פירוק קולי ופיזור ננו-סיליקה

עקרון העבודה של deagglomeration קולי ופיזור מבוסס על ההשפעות של cavitation שנוצר אולטרה סאונד, הידוע מדעית בשם cavitation אקוסטי. יישום אולטרסאונד בהספק גבוה ובתדר נמוך בנוזלים או בתרחיפים עלול לגרום לקוויטציה אקוסטית ובכך לתנאים קיצוניים, המתרחשים באופן מקומי כלחצים וטמפרטורות גבוהים מאוד, ולמיקרו-סטרימינג עם סילוני נוזל של עד 280 מטר לשנייה. השפעות פיזיקליות ומכניות אינטנסיביות אלה של קוויטציה על-קולית גורמות לשחיקה על פני השטח של החלקיקים, כמו גם לריסוק חלקיקים באמצעות התנגשות בין חלקיקים. כוחות אינטנסיביים אלה של קוויטציה קולית / אקוסטית הופכים את הסוניקציה לשיטה יעילה ואמינה ביותר לפירוק ופיזור של חלקיקים בגודל ננומטרי כמו ננו-סיליקה, ננו-צינוריות וננו-חומרים אחרים.

התפלגות גודל חלקיקים של ננו-סיליקה מאולטרסאונד (באמצעות Hielscher UP400St ultrasonicator) במים של (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt%, ו-(d) 10 wt% Aerosil 200 בפרקי זמן שונים.
מחקר וגרפים: ויקאש 2020.

עיבוד קולי של סיליקה בריכוזים מוצקים גבוהים ובנוזלים צמיגים

פיזור ננו-חלקיקים בריכוזים נמוכים הוא כבר מאתגר מכיוון שיש להתגבר על כוחות קשר כימיים כגון קשרים יוניים, קשרים קוולנטיים, קשרי מימן ואינטראקציות ואן דר ואלס. עם הגדלת הריכוז של ננו-חלקיקים, למשל חלקיקי ננו-סיליקה, גם האינטראקציה הכימית בין הננו-חלקיקים גדלה באופן משמעותי. משמעות הדבר היא שטכניקת פיזור עוצמתית חיונית על מנת להשיג תוצאות פיזור יציבות טובות וארוכות טווח. מפיצים קוליים משמשים כשיטת פיזור אמינה ויעילה ביותר, אשר מסוגלים בקלות לעבד slurries עם צמיגות גבוהה ואפילו משחות עם ריכוזים מוצקים גבוהים מאוד. היכולת לעבד תרחיפים עם עומסים מוצקים גבוהים של ננו-חלקיקים הופכת את האולטרה-סוניקציה לטכנולוגיית הפיזור המועדפת עבור ננו-חומרים.
אולטרסאונד תעשייתי Hielscher יכול לעבד את slurry או להדביק בכור רציף בשורה כל עוד זה יכול להיות מוזן באמצעות משאבה.

ייצור על-קולי של ננו-נוזלי סיליקה

Modragon et al. (2012) הכינו ננו-נוזלי סיליקה שהוכנו על ידי פיזור חלקיקי סיליקה במים מזוקקים באמצעות אולטרסוניקטור מסוג בדיקה UP400S. על מנת לייצר סיליקה יציבה ננו-נוזלים בעלי תכולת מוצקים מסוימת (כלומר, 20%), בעלי צמיגות נמוכה והתנהגות נוזלית דומה, מורכבים מטיפול באנרגיה גבוהה עם בדיקת אולטרסאונד למשך 5 דקות, מדיה בסיסית (ערכי pH גבוהים מ-7) וללא תוספת מלח. הפיזור העל-קולי הביא לננו-נוזלים בעלי צמיגות נמוכה. הננו-נוזלים שהוכנו באולטרסאונד התנהגו כמו נוזל והוכנו עם 20% עומס מוצק תוך זמן קצר מאוד הודות לפיזור הטוב שהושג עם סוניקציה.
"מכל שיטות הפיזור הקיימות, פיזור עם בדיקות על-קוליות אושר כיעיל ביותר". (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) הגיעו לאותה מסקנה עבור deagglomeration של אבקת Aerosil ומצאו כי הבדיקה קולית היא מערכת הפיזור היעילה ביותר בשל האנרגיה הממוקדת מאוד המופעלת.

אולטרסאונד לפירוק ופיזור ננו-חלקיקי סיליקה

כאשר ננו-סיליקה משמשת ביישומים תעשייתיים, מחקר או מדע חומרים, אבקת הסיליקה היבשה iחייבת להיות משולבת בפאזה נוזלית. פיזור ננו-סיליקה דורש טכניקת פיזור אמינה ויעילה, המפעילה מספיק אנרגיה כדי לפרק את חלקיקי הסיליקה הבודדים. אולטרה סאונד ידועים כמפיצים חזקים ואמינים, ולכן משמשים לפירוק והפצה של חומרים שונים כגון סיליקה, ננו-צינורות, גרפן, מינרלים וחומרים רבים אחרים בצורה הומוגנית לשלב נוזלי.

Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומפיצה מפיצים קוליים בעלי ביצועים גבוהים עבור כל סוג של יישומי הומוגניזציה ו deagglomeration. כשמדובר בייצור ננו-פיזור, בקרת סוניקציה מדויקת וטיפול קולי אמין בתרחיף ננו-חלקיקים חיוניים על מנת להשיג מוצרים בעלי ביצועים גבוהים.
המעבדים של Hielscher Ultrasonics נותנים לך שליטה מלאה על כל פרמטרי העיבוד החשובים כגון קלט אנרגיה, עוצמה קולית, משרעת, לחץ, טמפרטורה וזמן שמירה. בכך, ניתן להתאים את הפרמטרים לתנאים אופטימליים, מה שמוביל לאחר מכן לפיזור ננו באיכות גבוהה כגון תרחיפים של ננו-סיליקה.
עבור כל נפח / קיבולת: Hielscher מציעה ultrasonicators ותיק רחב של אביזרים. זה מאפשר את התצורה של המערכת הקולית האידיאלי עבור היישום שלך ואת יכולת הייצור. מבקבוקונים קטנים המכילים כמה מיליליטרים לזרמים בנפח גבוה של אלפי גלונים לשעה, Hielscher מציעה את הפתרון הקולי המתאים לתהליך שלך.
חוסן: המערכות האולטרסוניות שלנו חזקות ואמינות. כל האולטרסוניקטורים של Hielscher בנויים לפעולה 24/7/365 ודורשים מעט מאוד תחזוקה.
ידידותיות למשתמש: תוכנה משוכללת של המכשירים העל-קוליים שלנו מאפשרת בחירה מראש ושמירה של הגדרות סוניקציה עבור סוניקציה פשוטה ואמינה. התפריט האינטואיטיבי נגיש בקלות באמצעות צג מגע צבעוני דיגיטלי. בקרת הדפדפן מרחוק מאפשרת לך להפעיל ולנטר באמצעות כל דפדפן אינטרנט. הקלטת נתונים אוטומטית שומרת את פרמטרי התהליך של כל הפעלת סוניקציה בכרטיס SD מובנה.
יעילות אנרגטית מעולה: בהשוואה לטכנולוגיות פיזור חלופיות, האולטרסאונד של Hielscher מצטיין ביעילות אנרגטית יוצאת דופן ותוצאות מעולות בהתפלגות גודל החלקיקים.

התרשים מראה את היתרון המשמעותי של פיזור קולי של סיליקה עם UIP1000 Hielscher בהשוואה לאולטרה טורקס. אולטרה-סוניקציה דורשת פחות אנרגיה ומשיגה גודל חלקיקים קטן יותר באופן דרסטי מהסיליקה.

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: