A szilícium-dioxid nanorészecskék ultrahangos deagglomerációja

A szilícium-dioxid nanorészecskék, például a füstölt szilícium-dioxid (pl. Aerosil) széles körben használt adalékanyag a különböző iparágakban. A kívánt anyagjellemzőkkel rendelkező, teljesen működőképes nanoszilika előállításához a szilícium-dioxid nanorészecskéket deagglomerálni kell, és egyetlen diszpergált részecskeként kell elosztani. Az ultrahangos deagglomeráció rendkívül hatékony és megbízható technikának bizonyult a nanoszilika egyenletes eloszlására, mint egyetlen diszpergált részecske szuszpenzióban.

nanoszilícium-dioxid – Jellemzők és alkalmazások

Szilícium-dioxid (SiO₂) és különösen a szilícium-dioxid nanorészecskék (Si-NP-k) számos iparágban gyakori adalékanyagok. A nanoméretű szilícium-dioxid részecskék nagyon nagy felületet kínálnak, és egyedi részecskejellemzőket fejeznek ki, amelyeket számos iparágban használnak különböző célokra. Például a nanoméretű SiO egyedi anyagtulajdonságai₂ a (nano)kompozitok, beton és egyéb anyagok megerősítésére használják. Ilyenek például a nanoszilika alapú bevonatok, amelyek tűzálló tulajdonságokkal rendelkeznek, vagy a nanoszilikával bevont üveg, amely ezáltal tükröződésgátló tulajdonságokkal rendelkezik. Az építőiparban a szilícium-dioxid füstöt (mikroszilika) és a nanoszilikát erősen pozzolán anyagként használják, amelyet a beton megmunkálhatóságának, valamint mechanikai és tartóssági tulajdonságainak javítására használnak. A szilícium-dioxid füst és a nanoszilika összehasonlításakor a nanoszerkezetű SiO₂ A pozzolán aktívabb a korai szakaszban, mint a szilícium-dioxid füst, mivel a nanoszilika lényegesen nagyobb fajlagos felületet és finomságot kínál. A nagyobb felület több helyet kínál a betonnal való reakcióhoz, és kifejezetten hozzájárul a beton mikroszerkezetének javításához azáltal, hogy magként működik. A gázáteresztő képesség, amely a beton tartósságának mutatója, javul a nano-szilícium-dioxiddal megerősített betonban, összehasonlítva a hagyományos szilícium-dioxid-füstöt tartalmazó betonnal.
A biomedicinában és az élettudományban a SiO₂ A nanorészecskéket széles körben vizsgálják különböző alkalmazásokban, mivel a nanoszilika nagy felülete, kiváló biokompatibilitása és hangolható pórusmérete új alkalmazások széles skáláját kínálja, beleértve a gyógyszerszállítást és a terápiát.

A diagram a nano-szilícium-dioxid részecskeméret-eloszlását mutatja a (zöld görbe) és utáni (piros görbe) ultrahangos diszperzió előtt.

Ultrahangos deagglomeráció és nano-szilícium-dioxid diszperziója

Az ultrahangos deagglomeráció és diszperzió működési elve az ultrahanggal generált kavitáció hatásain alapul, tudományosan akusztikus kavitációnak nevezik. A nagy teljesítményű, alacsony frekvenciájú ultrahang folyadékokban vagy szuszpenziókban történő alkalmazása akusztikus kavitációt és ezáltal szélsőséges körülményeket okozhat, amelyek helyileg nagyon magas nyomásként és hőmérsékletként fordulnak elő, és mikrostreaminget akár 280 m / s folyadéksugarakkal. Az ultrahangos kavitáció ezen intenzív fizikai és mechanikai hatásai eróziót okoznak a részecske felületén, valamint a részecskék összetörését a részecskék ütközésével. Ezek az intenzív erők ultrahangos / akusztikus kavitáció, teszi szonikáció rendkívül hatékony és megbízható módszer a deagglomeráció és diszperzió nano-méretű részecskék auch mint nano-szilícium-dioxid, nanocsövek és más nanoanyagok.

Az ultrahanggal deagglomerált nano-szilícium-dioxid részecskeméret-eloszlása (a Hielscher UP400St ultrahangos készülék használatával) vízben a) 1 tömeg%, b) 2 tömeg%, c) 5 tömegszázalék és d) 10 tömeg% Aerosil 200 különböző időközönként.
Tanulmány és grafikonok: Vikash 2020.

A szilícium-dioxid ultrahangos feldolgozása nagy szilárd koncentrációban és viszkózus folyadékokban

A nanorészecskék alacsony koncentrációban történő diszpergálása már most is kihívást jelent, mivel le kell küzdeni a kémiai kötőerőket, például az ionos kötéseket, kovalens kötéseket, hidrogénkötéseket és van der Waals kölcsönhatásokat. A nanorészecskék, pl. a nano-szilícium-dioxid részecskék koncentrációjának növekedésével a nanorészecskék közötti kémiai kölcsönhatás is jelentősen megnő. Ez azt jelenti, hogy egy hatékony diszperziós technika elengedhetetlen a jó, hosszú távú stabil diszperziós eredmények eléréséhez. Az ultrahangos diszpergálószereket megbízható és rendkívül hatékony diszperziós módszerként használják, amelyek könnyen képesek nagy viszkozitású szuszpenziók és még nagyon magas szilárd koncentrációjú paszták feldolgozására. A nanorészecskék nagy szilárd terhelésével rendelkező szuszpenziók feldolgozásának képessége az ultrahangos kezelést a nano-anyagok előnyben részesített diszpergáló technológiájává alakítja.
A Hielscher ipari ultrahangos készülékek feldolgozhatják a szuszpenziót vagy pasztát egy folyamatos in-line reaktorban, mindaddig, amíg szivattyún keresztül táplálható.

Szilícium-dioxid nanofluidok ultrahangos előállítása

Modragon et al. (2012) szilícium-dioxid nanofluidokat állított elő, amelyeket szilícium-dioxid nanorészecskék desztillált vízben történő diszpergálásával állítottak elő a szonda típusú ultrahangos készülék UP400S. Bizonyos szilárd anyagtartalmú (azaz 20%-os) stabil szilícium-dioxid nanofluidok előállítása érdekében, alacsony viszkozitással és hasonló folyékony viselkedéssel, nagy energiájú ultrahangos szondával 5 percig tartó kezelésből, bázikus közegből (7-nél magasabb pH-érték) és só hozzáadása nélkül állnak. Az ultrahangos diszperzió alacsony viszkozitású nanofluidokat eredményezett. Az ultrahanggal előállított nanofluidok úgy viselkedtek, mint a folyadék, és nagyon rövid idő alatt elkészítették a szilárd terhelés 20% -át, köszönhetően az ultrahangos kezeléssel elért jó diszperziónak.
"Az összes rendelkezésre álló diszperziós módszer közül az ultrahangos szondákkal történő diszperziót megerősítették a leghatékonyabbnak." (Modragon és mtsai., 2012)
Petzold et al. (2009) ugyanerre a következtetésre jutott az Aerosil por deagglomerációjával kapcsolatban, megállapítva, hogy az ultrahangos szonda a leghatékonyabb diszperziós rendszer az alkalmazott nagy fókuszált energia miatt.

Ultrahangos készülékek deagglomeráció és diszperzió szilícium-dioxid nanorészecskék

Amikor a nano-szilícium-dioxidot ipari alkalmazásokban, kutatásban vagy anyagtudományban használják, a száraz szilícium-dioxid port folyékony fázisba kell beépíteni. A nano-szilícium-dioxid diszperzióhoz megbízható és hatékony diszpergálási technikára van szükség, amely elegendő energiát alkalmaz az egyes szilícium-dioxid részecskék deagglomerálásához. Az ultrahangos készülékek jól ismertek, mint erős és megbízható diszpergálószerek, ezért különböző anyagok, például szilícium-dioxid, nanocsövek, grafén, ásványi anyagok és sok más anyag homogén folyékony fázisba történő elosztására használják.

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos diszpergálószereket tervez, gyárt és forgalmaz bármilyen homogenizációs és deagglomerációs alkalmazáshoz. Amikor a nano-diszperziók előállításáról van szó, a nanorészecske-szuszpenzió pontos ultrahangos vezérlése és megbízható ultrahangos kezelése elengedhetetlen a nagy teljesítményű termékek előállításához.
A Hielscher Ultrasonics processzorai teljes mértékben ellenőrzik az összes fontos feldolgozási paramétert, például az energiabevitelt, az ultrahangos intenzitást, az amplitúdót, a nyomást, a hőmérsékletet és a retenciós időt. Ezáltal a paramétereket az optimalizált körülményekhez igazíthatja, ami később kiváló minőségű nano-diszperzióhoz, például nanoszilika szuszpenziókhoz vezet.
Bármilyen kötet / kapacitás esetén: A Hielscher ultrahangos készülékeket és kiegészítők széles portfólióját kínálja. Ez lehetővé teszi az ideális ultrahangos rendszer konfigurálását az alkalmazáshoz és a termelési kapacitáshoz. A néhány millilitert tartalmazó kis injekciós üvegektől a nagy mennyiségű, több ezer gallon / óra áramokig a Hielscher megfelelő ultrahangos megoldást kínál a folyamathoz.
Erőteljesség: Ultrahangos rendszereink robusztusak és megbízhatóak. Minden Hielscher ultrasonicators épített 24/7/365 működés és igényel nagyon kevés karbantartás.
Felhasználóbarát: Ultrahangos készülékeink kidolgozott szoftvere lehetővé teszi az ultrahangos beállítások előzetes kiválasztását és mentését egy egyszerű és megbízható szonikáláshoz. Az intuitív menü könnyen elérhető a digitális színes érintőképernyőn keresztül. A távoli böngészővezérlés lehetővé teszi bármely internetböngészőn keresztüli működtetést és felügyeletet. Az automatikus adatrögzítés elmenti a beépített SD-kártyán futó szonikálás folyamatparamétereit.
Kiváló energiahatékonyság: Az alternatív diszperziós technológiákkal összehasonlítva a Hielscher ultrasonicators kiemelkedő energiahatékonysággal és kiváló eredményekkel rendelkezik a részecskeméret-eloszlásban.

A diagram a szilícium-dioxid ultrahangos diszperziójának jelentős előnyét mutatja a Hielscher UIP1000 az ultra-turraxhoz képest. Az ultrahangos kezelés kevesebb energiát igényel, és drasztikusan kisebb részecskéket ér el a szilícium-dioxidban.

Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását: