A szilícium-dioxid nanorészecskék, mint például a füstölt szilícium-dioxid (pl. Aeroszil) széles körben használt adalékanyag a különböző iparágakban. Annak érdekében, hogy a kívánt anyagjellemzőkkel rendelkező, teljesen működőképes nanoszilikát kapjunk, a szilícium-dioxid nanorészecskéit egyszórt részecskékként kell lebontani és szétosztani. Ultrahangos deagglomeration bebizonyosodott, hogy egy rendkívül hatékony és megbízható technika terjesztésére nanoszilika egyenletesen, mint egy diszpergált részecskék egy szuszpenzió.

Nanoszilika – Jellemzők és alkalmazások

Szilícium-dioxid (SiO₂), és különösen a szilícium-dioxid nanorészecskék (Si-NPs) gyakori adalékanyagok számos iparágban. A nanoméretű szilícium-dioxid részecskék nagyon nagy felületet kínálnak, és egyedi részecskejellemzőket fejeznek ki, amelyeket számos iparágban különböző célokra használnak. Például a nanoméretű SiO egyedi anyagtulajdonságai₂ (nano)kompozitok, beton és egyéb anyagok megerősítésére alkalmazzák. Ilyenek például a nanoszilika-alapú bevonatok, amelyek tűzálló tulajdonságokkal rendelkeznek, vagy nanoszilikával bevont üveg, amely ezáltal antireflektív tulajdonságokkal rendelkezik. Az építőiparban a szilícium-dioxid füstöt (microsilica) és a nanoszilikát erősen pozzolán anyagként használják, amelyet a beton megmunkálhatóságának, valamint mechanikai és tartóssági tulajdonságainak javítására használnak. A szilícium-dioxid füstjét és a nanoszilikát összehasonlítva a nanoszerkezetű SiO₂ pozzolan aktívabb a korai szakaszban, mint a szilícium-dioxid füst, mivel nanoszilika kínál lényegesen nagyobb fajlagos felület és finomság. A nagyobb felület több helyszínt kínál a betonnal való reakcióhoz, és kifejezetten hozzájárul a jobb beton mikrostruktúrához azáltal, hogy magként működik. A gázáteresztő képességet, amely a beton tartósságának mutatója, nano-szilícium-dioxiddal megerősített betonban javítják a hagyományos szilícium-dioxidot tartalmazó betonhoz képest.
A biomedicina és az élettudomány, SiO₂ nanorészecskék széles körben vizsgálták a különböző alkalmazások, mivel a nagy felület, kiváló biokompatibilitás, és hangolható pórusméret nanoszilika széles skáláját kínálja az új alkalmazások, beleértve a kábítószer-szállítás és a theranostics.

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

Ultrahangos deagglomáció és a nano-szilícium-dioxid diszperziója

Az ultrahangos deagglomálás és diszperzió működési elve az ultrahangos kavitáció, tudományosan ismert akusztikus kavitáció hatásain alapul. A nagy teljesítményű, alacsony frekvenciájú ultrahang folyadékokban vagy iszapokban történő alkalmazása akusztikus kavitációt és ezáltal szélsőséges körülményeket okozhat, amelyek helyileg nagyon magas nyomásként és hőmérsékletként fordulnak elő, és akár 280 m / s folyadéksugarakkal történő mikroáram. Az ultrahangos kavitáció intenzív fizikai és mechanikai hatásai eróziót okoznak a részecske felszínén, valamint a részecskék törését a részecskék ütközése révén. Ezek az intenzív erők ultrahangos / akusztikus kavitáció, hogy sonication egy rendkívül hatékony és megbízható módszer a deagglomeration és diszperziós nano-méretű részecskék auch, mint a nano-szilícium-dioxid, nanocsövek és egyéb nano anyagok.

Az ultrahangosan deagglomerated nano-szilícium-dioxid részecskeméret-eloszlása (a Hielscher UP400St ultrahangos) vízben a) 1 wt%, b) 2 wt%, c) 5 wt%, és d) 10 wt% Aerosil 200 különböző időintervallumokban.
Tanulmány és grafikonok: Vikash 2020.

Szilícium-dioxid ultrahangos feldolgozása magas szilárd koncentrációban és viszkózus folyadékokban
A nanorészecskék alacsony koncentrációban történő diszpergálása már most is kihívást jelent, mivel az olyan kémiai kötési erőket, mint az ionkötések, kovalens kötések, hidrogénkötések és van der Waals kölcsönhatások leküzdése. A nanorészecskék, például a nano-szilícium-dioxid részecskék koncentrációjának növekedésével a nanorészecskék közötti kémiai kölcsönhatás is jelentősen megnő. Ez azt jelenti, hogy egy erős 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 iszapok és még nagyon magas szilárd koncentrációjú paszták feldolgozására is. A nagy szilárd nanorészecskékkel rendelkező iszapok feldolgozásának képessége az ultrahangosságot a nanoanyagok előnyben részesített diszperziós technológiává alakítja.
Hielscher ipari ultrahangos lehet feldolgozni a hígtrágya vagy paszta egy folyamatos in-line reaktor, amíg lehet táplálni egy szivattyú.

Ultrahangos gyártása szilícium-dioxid nanofluidok

Modragon és mtsai. (2012) szilícium-dioxid nanofluidokat készítettek, amelyeket szilícium-dioxid nanorészecskék desztillált vízben történő diszpergálásával készítettek a szonda típusú ultrahangos up400S. Annak érdekében, hogy stabil szilícium-dioxid nanofluidokat állítsunk elő egy bizonyos szilárd tartalommal (azaz 20%), alacsony viszkozitással és hasonló folyékony viselkedéssel, 5 percig nagy energiájú kezelést kell készíteni ultrahangszondával, alapközeggel (7-esnél magasabb pH-érték) és só hozzáadásának nélkül. Az ultrahangos diszperzió alacsony viszkozitású nanofluidokat eredményezett. Az ultrahangosan elkészített nanofluidok folyékonyként viselkedtek, és nagyon rövid idő alatt 20% szilárd terheléssel készültek, köszönhetően az ultrahangos kezeléssel elért jó diszperziónak.
"Az összes rendelkezésre álló diszperziós módszer közül az ultrahangos szondákkal való diszperziót megerősítették a leghatékonyabbnak." (Modragon és mtsai., 2012)
Petzold és munkatársai (2009) ugyanarra a következtetésre jutottak az Aerosil por deagglomeration-ére, amely megállapította, hogy az ultrahangos szonda a leghatékonyabb diszperziós rendszer az alkalmazott erősen fókuszált energia miatt.

Ultrahangos ultrahangos deagglomeration és diszperziós szilícium-dioxid nanorészecskék

Amikor nano-szilícium-dioxidot használnak ipari alkalmazásokban, kutatásban vagy anyagtudományban, a száraz szilícium-dioxid port folyékony fázisba kell építeni. A nano-szilícium-dioxid diszperziója megbízható és hatékony diszperziós technikát igényel, amely elegendő energiát alkalmaz az egyes szilícium-dioxid részecskék deagglomerálásához. Az ultrahangos szórók jól ismertek erős és megbízható diszpergálószerekként, ezért különböző anyagok, például szilícium-dioxid, nanocsövek, grafén, ásványi anyagok és sok más anyag homogén folyékony fázisba történő deagglomerálására és elosztására szolgálnak.

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos diszpergálószereket tervez, gyárt és forgalmaz bármilyen homogenizációs és deagglomációs alkalmazáshoz. Amikor nano-diszperziók előállításáról van szó, a nanorészecske-szuszpenzió pontos ultrahangos kezelése elengedhetetlen a nagy teljesítményű termékek eléréséhez.
A Hielscher Ultrasonics processzorai teljes körű ellenőrzést biztosítanak az összes fontos feldolgozási paraméter felett, mint például az energiabevitel, az ultrahangos intenzitás, az amplitúdó, a nyomás, a hőmérséklet és a megőrzési idő. Ezáltal a paramétereket optimalizált körülményekhez igazíthatja, ami később kiváló minőségű nano-diszperzióhoz, például nanoszilika iszapokhoz vezet.
Bármilyen térfogatra / kapacitásra: A Hielscher ultrahangos sugárzókat és kiegészítők széles portfólióját kínálja. Ez lehetővé teszi az ideális ultrahangos rendszer konfigurációját az alkalmazáshoz és a termelési kapacitáshoz. A néhány millilitert tartalmazó kis injekciós üvegektől az óránként több ezer gallon nagy térfogatú áramlatokig a Hielscher megfelelő ultrahangos megoldást kínál az Ön folyamatához.
Robosztussági: Ultrahangos rendszereink robusztusak és megbízhatóak. Minden Hielscher ultrasonicators épülnek 24/7/365 működés és nagyon kevés karbantartást igényel.
Felhasználóbarát: Kidolgozott szoftver ultrahangos készülékek lehetővé teszi az előválogatás és mentés szonikálás beállítások egy egyszerű és megbízható szonikálás. Az intuitív menü könnyen elérhető digitális színes érintőképernyővel. A távoli böngésző vezérlés lehetővé teszi, hogy bármilyen internetböngészőn keresztül működjön és figyeljen. Az automatikus adatrögzítés menti a beépített SD-kártyán futtatott szonikálás folyamatparamétereit.
Kiváló energiahatékonyság: Összehasonlítva az alternatív diszperziós technológiákkal, a Hielscher ultrahangosok kiemelkedő energiahatékonysággal és kiváló eredményekkel kiemelkednek a részecskeméret eloszlásában.

A diagram azt mutatja, hogy jelentős előnye ultrahangos diszperziós szilícium-dioxid a Hielscher UIP1000 képest ultra-turrax. Az ultrahangos kezelés kevesebb energiát igényel, és drasztikusan kisebb részecskéket ér el a szilícium-dioxid méretében.

Az alábbi táblázat az ultrahangos készülékek hozzávetőleges feldolgozási kapacitását jelzi: