Ultrazvučna deaglomeracija nanočestica silicijeva dioksida

Nanočestice silicijeva dioksida, poput pirogenog silicijeva dioksida (npr. Aerosil), široko su primjenjivan dodatak u raznim industrijama. Kako bi se dobila potpuno funkcionalna nanosilika sa željenim svojstvima materijala, nanočestice silicijeva dioksida moraju se deaglomerirati i raspodijeliti kao pojedinačno dispergirane čestice. Ultrazvučna deaglomeracija pokazala se vrlo učinkovitom i pouzdanom tehnikom za ravnomjernu raspodjelu nanosilike u obliku pojedinačno dispergiranih čestica u suspenziji.

Nanosilika – svojstva i primjene

Silicijev dioksid (SiO₂) i osobito nanočestice silicijeva dioksida (Si-NPs) uobičajeni su dodaci u mnogim industrijama. Čestice silicijeva dioksida nanometarskih dimenzija imaju vrlo veliku površinu i jedinstvena svojstva čestica koja se u mnogim industrijama iskorištavaju u različite svrhe. Primjerice, jedinstvena svojstva materijala SiO₂ nanometarskih dimenzija primjenjuju se za ojačavanje (nano)kompozita, betona i drugih materijala. Primjeri su premazi na bazi nanosilike koji pružaju vatrootporna svojstva ili staklo premazano nanosilikom koje time dobiva antirefleksijska svojstva. U graditeljstvu se silicijska prašina (mikrosilika) i nanosilika upotrebljavaju kao materijali visoke pucolanske aktivnosti za poboljšanje obradivosti te mehaničkih svojstava i trajnosti betona. Pri usporedbi silicijske prašine i nanosilike, pucolan nanostrukturiranog SiO₂ aktivniji je u ranoj fazi od silicijske prašine jer nanosilika ima znatno veću specifičnu površinu i finoću. Veća površina pruža više mjesta za reakciju s betonom te posebno doprinosi poboljšanju mikrostrukture betona djelujući kao jezgra. Propusnost plinova, pokazatelj trajnosti betona, poboljšana je u betonu ojačanom nanosilikom u usporedbi s betonom koji sadrži tradicionalnu silicijsku prašinu.
U biomedicini i znanostima o životu nanočestice SiO₂ naširoko se istražuju za različite primjene jer velika površina, izvrsna biokompatibilnost i prilagodljiva veličina pora nanosilike omogućuju širok raspon novih primjena, uključujući dostavu lijekova i teranostiku.

Grafikon prikazuje raspodjelu veličine čestica nanosilike prije (zelena krivulja) i nakon (crvena krivulja) ultrazvučnog dispergiranja.

Ultrazvučna deaglomeracija i dispergiranje nanosilike

Načelo rada ultrazvučne deaglomeracije i dispergiranja temelji se na učincima ultrazvučno generirane kavitacije, znanstveno poznate kao akustična kavitacija. Primjena ultrazvuka velike snage i niske frekvencije u tekućinama ili suspenzijama može izazvati akustičnu kavitaciju, a time i ekstremne uvjete koji se lokalno očituju kao vrlo visoki tlakovi i temperature te mikrostrujanje s mlazovima tekućine brzine do 280m/s. Ti intenzivni fizikalni i mehanički učinci ultrazvučne kavitacije uzrokuju eroziju površine čestica, kao i njihovo razbijanje međusobnim sudarima. Te intenzivne sile ultrazvučne / akustične kavitacije čine sonikaciju vrlo učinkovitom i pouzdanom metodom za deaglomeraciju i dispergiranje čestica nanometarskih dimenzija poput nanosilike, nanocijevi i drugih nanomaterijala.

Raspodjela veličine čestica ultrazvučno deaglomerirane nanosilike (s pomoću ultrazvučnog uređaja Hielscher UP400St) u vodi s (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% i (d) 10 wt% Aerosil 200 u različitim vremenskim intervalima.
Istraživanje i grafikoni: Vikash 2020.

Ultrazvučna obrada silicijeva dioksida pri visokim koncentracijama krutih tvari i u viskoznim tekućinama

Dispergiranje nanočestica već je pri niskim koncentracijama izazovno jer je potrebno nadvladati sile kemijskog vezivanja, poput ionskih veza, kovalentnih veza, vodikovih veza i van der Waalsovih interakcija. S povećanjem koncentracije nanočestica, primjerice nanočestica silicijeva dioksida, znatno se povećava i kemijska interakcija među nanočesticama. To znači da je snažna tehnika dispergiranja neophodna za postizanje dobrih, dugoročno stabilnih disperzija. Ultrazvučni dispergatori upotrebljavaju se kao pouzdana i vrlo učinkovita metoda dispergiranja kojom se lako mogu obrađivati suspenzije visoke viskoznosti, pa čak i paste s vrlo visokim koncentracijama krutih tvari. Mogućnost obrade suspenzija s visokim udjelom krutih nanočestica čini ultrazvučnu obradu preferiranom tehnologijom dispergiranja nanomaterijala.
Industrijski ultrazvučni uređaji Hielscher mogu obrađivati vašu suspenziju ili pastu u kontinuiranom protočnom reaktoru sve dok se ona može dovoditi pumpom.

Ultrazvučna proizvodnja nanofluida silicijeva dioksida

Modragon i sur. (2012) pripremili su nanofluide silicijeva dioksida pripremljene dispergiranjem nanočestica silicijeva dioksida u destiliranoj vodi s pomoću ultrazvučnog uređaja sa sondom UP400S. Uvjeti za proizvodnju stabilnih nanofluida silicijeva dioksida s određenim udjelom krutih tvari (tj. 20%), niskom viskoznošću i ponašanjem poput tekućine obuhvaćaju obradu ultrazvučnom sondom uz visok unos energije tijekom 5 minuta, lužnati medij (pH vrijednosti više od 7) i izostanak dodavanja soli. Ultrazvučnim dispergiranjem dobiveni su nanofluidi niske viskoznosti. Ultrazvučno pripremljeni nanofluidi ponašali su se poput tekućine i pripremljeni su s 20% udjela krutih tvari u vrlo kratkom vremenu zahvaljujući dobrom dispergiranju postignutom sonikacijom.
„Od svih dostupnih metoda dispergiranja, dispergiranje ultrazvučnim sondama potvrđeno je kao najučinkovitije.” (Modragon i sur., 2012)
Petzold i sur. (2009) došli su do istog zaključka za deaglomeraciju praha Aerosil, utvrdivši da je ultrazvučna sonda najučinkovitiji sustav dispergiranja zbog primijenjene visoko fokusirane energije.

Ultrazvučni uređaji za deaglomeraciju i dispergiranje nanočestica silicijeva dioksida

Kada se nanosilika upotrebljava u industrijskim primjenama, istraživanju ili znanosti o materijalima, suhi prah silicijeva dioksida mora se uvesti u tekuću fazu. Dispergiranje nanosilike zahtijeva pouzdanu i učinkovitu tehniku dispergiranja kojom se primjenjuje dovoljno energije za deaglomeraciju pojedinačnih čestica silicijeva dioksida. Ultrazvučni uređaji dobro su poznati kao snažni i pouzdani dispergatori te se stoga upotrebljavaju za deaglomeraciju i homogenu raspodjelu različitih materijala, poput silicijeva dioksida, nanocijevi, grafena, minerala i mnogih drugih materijala, u tekućoj fazi.

Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira ultrazvučne dispergatore visokih performansi za sve vrste primjena homogenizacije i deaglomeracije. Pri proizvodnji nanodisperzija precizna kontrola sonikacije i pouzdana ultrazvučna obrada suspenzije nanočestica neophodne su za dobivanje proizvoda visokih performansi.
Procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics omogućuju vam potpunu kontrolu nad svim važnim parametrima obrade, poput unosa energije, intenziteta ultrazvuka, amplitude, tlaka, temperature i vremena zadržavanja. Time možete prilagoditi parametre optimalnim uvjetima, što zatim dovodi do visokokvalitetnih nanodisperzija, poput suspenzija nanosilike.
Za bilo koji volumen / kapacitet: Hielscher nudi ultrazvučne uređaje i širok izbor dodatne opreme. To omogućuje konfiguriranje idealnog ultrazvučnog sustava za vašu primjenu i proizvodni kapacitet. Od malih bočica koje sadrže nekoliko mililitara do tokova velikog volumena od više tisuća galona na sat, Hielscher nudi odgovarajuće ultrazvučno rješenje za vaš proces.
Robusnost: Naši ultrazvučni sustavi robusni su i pouzdani. Svi ultrazvučni uređaji Hielscher izrađeni su za rad 24/7/365 i zahtijevaju vrlo malo održavanja.
Jednostavnost uporabe: Razrađeni softver naših ultrazvučnih uređaja omogućuje prethodni odabir i spremanje postavki sonikacije za jednostavnu i pouzdanu sonikaciju. Intuitivnom izborniku lako se pristupa putem digitalnog zaslona u boji osjetljivog na dodir. Daljinsko upravljanje putem preglednika omogućuje vam upravljanje i nadzor putem bilo kojeg internetskog preglednika. Automatsko bilježenje podataka sprema procesne parametre svakog postupka sonikacije na ugrađenu SD karticu.
Izvrsna energetska učinkovitost: U usporedbi s alternativnim tehnologijama dispergiranja, Hielscher ultrazvučni uređaji ističu se izvanrednom energetskom učinkovitošću i vrhunskim rezultatima u raspodjeli veličine čestica.

Grafikon prikazuje značajnu prednost ultrazvučnog dispergiranja silicijeva dioksida uređajem Hielscher UIP1000 u usporedbi s uređajem ultra-turrax. Sonikacija zahtijeva manje energije i postiže drastično manju veličinu čestica silicijeva dioksida.

Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: