Ultrazvučna deaglomeracija nanočestica silicija

Nanočestice silicijevog dioksida kao što je pirjeni silicij (npr. Aerosil) naširoko su korišteni aditiv u raznim industrijama. Kako bi se dobio potpuno funkcionalan nanosilicijev dioksid sa željenim karakteristikama materijala, nanočestice silicijevog dioksida moraju biti deaglomerirane i raspodijeljene kao jednostruke dispergirane čestice. Dokazano je da je ultrazvučna deaglomeracija vrlo učinkovita i pouzdana tehnika za ravnomjernu distribuciju nanosilicijeva dioksida kao jednostruko raspršenih čestica u suspenziji.

nanosilica – Karakteristike i primjene

Silicij (SiO₂), a posebno nanočestice silicija (Si-NP) uobičajeni su aditivi u mnogim industrijama. Čestice silicijevog dioksida nano veličine nude vrlo veliku površinu i izražavaju jedinstvene karakteristike čestica, koje se koriste u mnogim industrijama za razne svrhe. Na primjer, jedinstvena svojstva materijala SiO nano veličine₂ primjenjuju se za armiranje (nano)kompozita, betona i drugih materijala. Primjeri su premazi na bazi nanosilicijeva dioksida koji nude vatrootporna svojstva ili staklo obloženo nanosilicijevim dioksidom koje time dobiva antirefleksna svojstva. U građevinskoj industriji, silicijev dioksid (mikrosilika) i nanosilicijev dioksid koriste se kao visokopucolanski materijali koji se koriste za poboljšanje obradivosti, kao i mehaničkih i izdržljivih svojstava betona. Kada se usporede silicij dioksid i nanosilicijev dioksid, nanostrukturirani SiO₂ pucolan je aktivniji u ranoj fazi od silicijeve pare budući da nanosilicijev dioksid nudi znatno veću specifičnu površinu i finoću. Veća površina nudi više mjesta za reakciju s betonom i konkretno doprinosi poboljšanoj mikrostrukturi betona djelujući kao jezgra. Plinopropusnost, pokazatelj trajnosti betona, poboljšana je u betonu koji je ojačan nano-silicijem u usporedbi s betonom koji sadrži tradicionalnu siliciju.
U biomedicini i znanosti o životu, SiO₂ nanočestice se naširoko istražuju za različite primjene budući da velika površina, izvrsna biokompatibilnost i podesiva veličina pora nanosilicijeva dioksida nude širok raspon novih primjena uključujući isporuku lijekova i teranostiku.

Grafikon prikazuje distribuciju veličine čestica nano-silika prije (zelena krivulja) i nakon (crvena krivulja) ultrazvučne disperzije.

Ultrazvučna deaglomeracija i disperzija nano-silika

Princip rada ultrazvučne deaglomeracije i disperzije temelji se na učincima ultrazvučno generirane kavitacije, znanstveno poznate kao akustična kavitacija. Primjena ultrazvuka velike snage, niske frekvencije u tekućinama ili kašama može uzrokovati akustičnu kavitaciju, a time i ekstremne uvjete, koji se javljaju lokalno kao vrlo visoki tlakovi i temperature, te mikrostrujanje s tekućim mlazovima do 280 m/s. Ovi intenzivni fizički i mehanički učinci ultrazvučne kavitacije uzrokuju eroziju na površini čestica, kao i razbijanje čestica putem međusobnog sudara čestica. Ove intenzivne sile ultrazvučne/akustične kavitacije čine sonikaciju vrlo učinkovitom i pouzdanom metodom za deaglomeraciju i disperziju čestica nano veličine kao što su nano-silika, nanocijevi i drugi nano materijali.

Raspodjela veličine čestica ultrazvučno deaglomeriranog nano-silika (pomoću ultrazvučnog uređaja Hielscher UP400St) u vodi od (a) 1 tež.%, (b) 2 tež.%, (c) 5 tež.% i (d) 10 tež.% Aerosila 200 u različitim vremenskim intervalima.
Studija i grafikoni: Vikash 2020.

Ultrazvučna obrada silicija s visokim koncentracijama krutih tvari iu viskoznim tekućinama

Raspršivanje nanočestica pri niskim koncentracijama već je izazov jer se moraju prevladati sile kemijskog vezivanja kao što su ionske veze, kovalentne veze, vodikove veze i van der Waalsove interakcije. S povećanjem koncentracije nanočestica, npr. čestica nano-silika, značajno se povećava i kemijska interakcija između nanočestica. To znači da je snažna tehnika disperzije neophodna kako bi se dobili dobri, dugoročno stabilni rezultati disperzije. Ultrazvučni raspršivači koriste se kao pouzdana i visoko učinkovita disperzijska metoda, koja je lako sposobna obraditi kaše s visokim viskozitetom, pa čak i paste s vrlo visokim koncentracijama čvrstih tvari. Sposobnost obrade kaša s visokim krutim opterećenjem nano-čestica pretvara ultrazvučnu obradu u preferiranu tehnologiju raspršivanja nano-materijala.
Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji mogu obraditi vašu kašu ili pastu u kontinuiranom in-line reaktoru sve dok se može hraniti putem pumpe.

Ultrazvučna proizvodnja silicijevih nanofluida

Modragon i sur. (2012.) pripremili nanotekućine od silicijevog dioksida pripremljene dispergiranjem nanočestica silicijevog dioksida u destiliranoj vodi pomoću ultrazvučni uređaj tipa sonde UP400S. Kako bi se proizveli stabilni nanofluidi od silicijevog dioksida s određenim sadržajem krutine (tj. 20%), s niskom viskoznošću i ponašanjem sličnim tekućini, sastoji se od visokoenergetskog tretmana ultrazvučnom sondom tijekom 5 minuta, bazičnog medija (pH vrijednosti veće od 7) i bez dodavanja soli. Ultrazvučna disperzija rezultirala je nanofluidima niske viskoznosti. Ultrazvučno pripremljeni nanofluidi ponašali su se poput tekućine i pripremljeni su s 20% krutog opterećenja u vrlo kratkom vremenu zahvaljujući dobroj disperziji postignutoj sonikacijom.
„Od svih dostupnih disperzijskih metoda, disperzija ultrazvučnim sondama je potvrđena kao najučinkovitija.“ (Modragon et al., 2012.)
Petzold i sur. (2009.) došli su do istog zaključka za deaglomeraciju Aerosil praha otkrivši da je ultrazvučna sonda najučinkovitiji disperzijski sustav zbog primijenjene visoko fokusirane energije.

Ultrazvučni uređaji za deaglomeraciju i disperziju nanočestica silicija

Kada se nano-silicijev dioksid koristi u industrijskim primjenama, istraživanju ili znanosti o materijalima, suhi prah silicijevog dioksida mora se ugraditi u tekuću fazu. Nano-silika disperzija zahtijeva pouzdanu i učinkovitu tehniku raspršivanja, koja primjenjuje dovoljno energije za deaglomeraciju pojedinačnih čestica silicija. Ultrasonicators su dobro poznati kao snažni i pouzdani raspršivači, stoga se koriste za deaglomeraciju i distribuciju različitih materijala kao što su silicij, nanocijevi, grafen, minerali i mnogi drugi materijali homogeno u tekuću fazu.

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira visokoučinkovite ultrazvučne raspršivače za sve vrste aplikacija za homogenizaciju i deaglomeraciju. Kada je u pitanju proizvodnja nano-disperzija, precizna kontrola ultrazvučne obrade i pouzdana ultrazvučna obrada suspenzije nanočestica ključni su kako bi se dobili proizvodi visokih performansi.
Procesori Hielscher Ultrasonics daju vam punu kontrolu nad svim važnim parametrima obrade kao što su unos energije, ultrazvučni intenzitet, amplituda, tlak, temperatura i vrijeme zadržavanja. Time možete prilagoditi parametre optimiziranim uvjetima, što kasnije dovodi do visokokvalitetne nano-disperzije kao što su kaše nanosilicijeva dioksida.
Za bilo koji volumen / kapacitet: Hielscher nudi ultrazvučne uređaje i širok portfelj dodatne opreme. To omogućuje konfiguraciju idealnog ultrazvučnog sustava za vašu primjenu i proizvodni kapacitet. Od malih bočica koje sadrže nekoliko mililitara do velikih volumena tokova od tisuća galona na sat, Hielscher nudi odgovarajuće ultrazvučno rješenje za vaš proces.
Robusnost: Naši ultrazvučni sustavi su robusni i pouzdani. Svi Hielscher ultrasonicators su napravljeni za rad 24/7/365 i zahtijevaju vrlo malo održavanja.
Jednostavnost korištenja: Razrađen softver naših ultrazvučnih uređaja omogućuje predodabir i spremanje postavki sonikacije za jednostavnu i pouzdanu sonikaciju. Intuitivni izbornik lako je dostupan putem digitalnog zaslona u boji osjetljivog na dodir. Daljinsko upravljanje preglednikom omogućuje vam upravljanje i praćenje putem bilo kojeg internetskog preglednika. Automatsko snimanje podataka sprema parametre procesa bilo koje ultrazvučne obrade na ugrađenu SD karticu.
Izvrsna energetska učinkovitost: U usporedbi s alternativnim disperzijskim tehnologijama, Hielscher ultrasonicators ističe se izvanrednom energetskom učinkovitošću i vrhunskim rezultatima u distribuciji veličine čestica.

Grafikon pokazuje značajnu prednost ultrazvučne disperzije silicija s Hielscher UIP1000 u usporedbi s ultra-turraxom. Ultrasonication zahtijeva manje energije i postiže drastično manju veličinu čestica silicija.

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: