Szilícium-dioxid-nanorészecskék ultrahangos deagglomerálása

A szilícium-dioxid-nanorészecskék, például a pirogén szilícium-dioxid (pl. Aerosil), számos iparágban széles körben használt adalékanyagok. A kívánt anyagjellemzőkkel rendelkező, teljes mértékben funkcionális nanoszilícium-dioxid előállításához a szilícium-dioxid-nanorészecskéket deagglomerálni kell, és különálló részecskékként kell eloszlatni. Az ultrahangos deagglomerálás bizonyítottan rendkívül hatékony és megbízható technika a nanoszilícium-dioxid szuszpenzióban történő egyenletes, különálló részecskékként való eloszlatására.

Nanoszilícium-dioxid – Jellemzők és alkalmazások

A szilícium-dioxid (SiO₂) és különösen a szilícium-dioxid-nanorészecskék (Si-NPs) számos iparágban elterjedt adalékanyagok. A nanoméretű szilícium-dioxid-részecskék igen nagy felülettel és egyedülálló részecskejellemzőkkel rendelkeznek, amelyeket számos iparágban különféle célokra hasznosítanak. Például a nanoméretű SiO₂ egyedülálló anyagtulajdonságait (nano-)kompozitok, beton és más anyagok megerősítésére használják. Ilyenek például a tűzálló tulajdonságokat biztosító nanoszilícium-dioxid-alapú bevonatok vagy a nanoszilícium-dioxiddal bevont üveg, amely ezáltal tükröződésgátló tulajdonságokat nyer. Az építőiparban a szilikaport (mikroszilícium-dioxidot) és a nanoszilícium-dioxidot nagy puccolánaktivitású anyagként használják a beton bedolgozhatóságának, valamint mechanikai és tartóssági tulajdonságainak javítására. A szilikaport és a nanoszilícium-dioxidot összehasonlítva a nanoszerkezetű SiO₂ puccolán a korai szakaszban aktívabb a szilikapornál, mivel a nanoszilícium-dioxid fajlagos felülete jelentősen nagyobb, szemcséi pedig jelentősen finomabbak. A nagyobb felület több helyet biztosít a betonnal való reakcióhoz, és gócként működve kifejezetten hozzájárul a beton mikroszerkezetének javulásához. A gázáteresztő képesség, amely a beton tartósságának egyik mutatója, javul a nanoszilícium-dioxiddal megerősített betonban a hagyományos szilikaport tartalmazó betonhoz képest.
A biomedicinában és az élettudományokban a SiO₂ összetételű nanorészecskéket széles körben vizsgálják különféle alkalmazásokhoz, mivel a nanoszilícium-dioxid nagy felülete, kiváló biokompatibilitása és szabályozható pórusmérete az újszerű alkalmazások széles körét teszi lehetővé, beleértve a gyógyszerhatóanyagok célba juttatását és a teranosztikát.

A diagram a nanoszilícium-dioxid részecskeméret-eloszlását mutatja az ultrahangos diszpergálás előtt (zöld görbe) és után (piros görbe).

Nanoszilícium-dioxid ultrahangos deagglomerálása és diszpergálása

Az ultrahangos deagglomerálás és diszpergálás működési elve az ultrahanggal létrehozott, tudományos nevén akusztikus kavitáció hatásain alapul. A nagy teljesítményű, alacsony frekvenciájú ultrahang folyadékokban vagy szuszpenziókban történő alkalmazása akusztikus kavitációt és ezáltal szélsőséges körülményeket idézhet elő, amelyek helyileg igen magas nyomás és hőmérséklet, valamint akár 280m/s sebességű folyadéksugarakkal járó mikroáramlás formájában jelentkeznek. Az ultrahangos kavitáció ezen intenzív fizikai és mechanikai hatásai eróziót okoznak a részecskék felületén, valamint a részecskék egymás közötti ütközése révén széttörik azokat. Az ultrahangos / akusztikus kavitáció ezen intenzív erői az ultrahangos kezelést rendkívül hatékony és megbízható módszerré teszik a nanoméretű részecskék, például a nanoszilícium-dioxid, a nanocsövek és más nanoanyagok deagglomerálására és diszpergálására.

Ultrahanggal deagglomerált nanoszilícium-dioxid részecskeméret-eloszlása (a Hielscher UP400St ultrahangos készülék használatával) vízben, (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% és (d) 10 wt% Aerosil 200 esetén, különböző időközönként.
Tanulmány és grafikonok: Vikash 2020.

Szilícium-dioxid ultrahangos feldolgozása magas szilárdanyag-koncentráció mellett és viszkózus folyadékokban

A nanorészecskék diszpergálása már alacsony koncentráció mellett is kihívást jelent, mivel le kell győzni a kémiai kötőerőket, például az ionos kötéseket, a kovalens kötéseket, a hidrogénkötéseket és a van der Waals-kölcsönhatásokat. A nanorészecskék, például a nanoszilícium-dioxid-részecskék koncentrációjának növekedésével a nanorészecskék közötti kémiai kölcsönhatás is jelentősen fokozódik. Ez azt jelenti, hogy a jó, hosszú távon stabil diszpergálási eredmények eléréséhez elengedhetetlen egy nagy teljesítményű diszpergálási technika. Az ultrahangos diszpergálókat megbízható és rendkívül hatékony diszpergálási módszerként használják, amely könnyedén képes nagy viszkozitású szuszpenziókat, sőt igen magas szilárdanyag-koncentrációjú pasztákat is feldolgozni. A magas nanorészecske-tartalmú szuszpenziók feldolgozásának képessége az ultrahangos kezelést a nanoanyagok előnyben részesített diszpergálási technológiájává teszi.
A Hielscher ipari ultrahangos készülékei folyamatos üzemű, csővezetékbe épített reaktorban képesek feldolgozni az Ön szuszpenzióját vagy pasztáját, amennyiben az szivattyúval adagolható.

Szilícium-dioxid-nanofolyadékok ultrahangos előállítása

Modragon és munkatársai (2012) szilícium-dioxid-nanofolyadékokat állítottak elő szilícium-dioxid-nanorészecskék desztillált vízben történő diszpergálásával, az UP400S szondás ultrahangos készülék segítségével. A meghatározott szilárdanyag-tartalmú (azaz 20%), alacsony viszkozitású és folyadékszerű viselkedésű, stabil szilícium-dioxid-nanofolyadékok előállításának feltétele az ultrahangos szondával végzett, 5 perces, nagy energiájú kezelés, a lúgos közeg (7-nél magasabb pH-értékek) és a só hozzáadásának mellőzése. Az ultrahangos diszpergálás alacsony viszkozitású nanofolyadékokat eredményezett. Az ultrahanggal előállított nanofolyadékok folyadékszerűen viselkedtek, és az ultrahangos kezeléssel elért jó diszpergálásnak köszönhetően igen rövid idő alatt, 20% szilárdanyag-tartalommal készültek el.
„Az összes rendelkezésre álló diszpergálási módszer közül az ultrahangos szondákkal végzett diszpergálás bizonyult a leghatékonyabbnak.” (Modragon et al., 2012)
Petzold és munkatársai (2009) ugyanerre a következtetésre jutottak az Aerosil por deagglomerálásával kapcsolatban, megállapítva, hogy az ultrahangos szonda a leghatékonyabb diszpergáló rendszer a nagyfokú összpontosítással bevitt energia miatt.

Ultrahangos készülékek szilícium-dioxid-nanorészecskék deagglomerálására és diszpergálására

Amikor a nanoszilícium-dioxidot ipari alkalmazásokban, kutatásban vagy anyagtudományban használják, a száraz szilícium-dioxid-port folyadékfázisba kell bevinni. A nanoszilícium-dioxid diszpergálásához megbízható és hatékony diszpergálási technika szükséges, amely elegendő energiát biztosít az egyes szilícium-dioxid-részecskék deagglomerálásához. Az ultrahangos készülékek jól ismert, nagy teljesítményű és megbízható diszpergálók, ezért különféle anyagok, például szilícium-dioxid, nanocsövek, grafén, ásványok és sok más anyag deagglomerálására és folyadékfázisban történő homogén eloszlatására használják őket.

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos diszpergálókat tervez, gyárt és forgalmaz mindenféle homogenizálási és deagglomerálási alkalmazáshoz. A nanodiszperziók előállítása során az ultrahangos kezelés pontos szabályozása és a nanorészecske-szuszpenzió megbízható ultrahangos kezelése elengedhetetlen a nagy teljesítményű termékek előállításához.
A Hielscher Ultrasonics készülékei teljes körű szabályozást biztosítanak minden fontos feldolgozási paraméter felett, például az energiabevitel, az ultrahang-intenzitás, az amplitúdó, a nyomás, a hőmérséklet és a tartózkodási idő tekintetében. Ezáltal a paramétereket optimalizált körülményekhez igazíthatja, ami kiváló minőségű nanodiszperziók, például nanoszilícium-dioxid-szuszpenziók előállítását eredményezi.
Bármilyen térfogathoz / kapacitáshoz: A Hielscher ultrahangos készülékeket és tartozékok széles választékát kínálja. Ez lehetővé teszi az Ön alkalmazásához és termelési kapacitásához ideális ultrahangos rendszer összeállítását. A néhány millilitert tartalmazó kis fioláktól az óránként több ezer gallon térfogatú, nagy térfogatáramú folyamatokig a Hielscher megfelelő ultrahangos megoldást kínál az Ön eljárásához.
Strapabíróság: Ultrahangos rendszereink strapabírók és megbízhatók. Minden Hielscher ultrahangos készülék 24/7/365 üzemelésre készült, és igen kevés karbantartást igényel.
Felhasználóbarát működés: Ultrahangos készülékeink kifinomult szoftvere lehetővé teszi az ultrahangos kezelési beállítások előzetes kiválasztását és mentését az egyszerű és megbízható ultrahangos kezelés érdekében. Az intuitív menü könnyen elérhető a digitális, színes érintőkijelzőn keresztül. A böngészőn keresztüli távvezérlés bármely internetes böngészővel lehetővé teszi a működtetést és a felügyeletet. Az automatikus adatrögzítés minden ultrahangos kezelési ciklus folyamatparamétereit egy beépített SD-kártyára menti.
Kiváló energiahatékonyság: Az alternatív diszpergálási technológiákhoz képest a Hielscher ultrahangos készülékei kiemelkedő energiahatékonyságukkal és a részecskeméret-eloszlás terén elért kiválóbb eredményeikkel tűnnek ki.

A diagram a szilícium-dioxid Hielscher UIP1000 készülékkel végzett ultrahangos diszpergálásának jelentős előnyét mutatja egy ultra-turrax készülékhez képest. Az ultrahangos kezelés kevesebb energiát igényel, és drasztikusan kisebb szilícium-dioxid-részecskeméretet eredményez.

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: