Deaglomerasi Ultrasonik Nanopartikel Silika

Nanopartikel silika seperti silika pirogenik (misalnya Aerosil) merupakan aditif yang banyak digunakan dalam berbagai industri. Untuk memperoleh nanosilika yang berfungsi sepenuhnya dengan karakteristik material yang diinginkan, nanopartikel silika harus dideaglomerasi dan didistribusikan sebagai partikel yang terdispersi secara individual. Deaglomerasi ultrasonik telah terbukti sebagai teknik yang sangat efisien dan andal untuk mendistribusikan nanosilika secara merata sebagai partikel yang terdispersi secara individual dalam suatu suspensi.

Nanosilika – Karakteristik dan Aplikasi

Silika (SiO₂) dan khususnya nanopartikel silika (Si-NPs) merupakan aditif yang umum digunakan dalam banyak industri. Partikel silika berukuran nano memiliki luas permukaan yang sangat besar dan menunjukkan karakteristik partikel yang unik, yang dimanfaatkan dalam banyak industri untuk berbagai tujuan. Sebagai contoh, sifat material yang unik dari SiO₂ berukuran nano dimanfaatkan untuk memperkuat (nano-)komposit, beton, dan material lainnya. Contohnya adalah lapisan berbasis nanosilika yang memberikan sifat tahan api atau kaca berlapis nanosilika yang dengan demikian memperoleh sifat antireflektif. Dalam industri bangunan dan konstruksi, silica fume (mikrosilika) dan nanosilika digunakan sebagai material dengan aktivitas pozolanik tinggi untuk meningkatkan kemudahan pengerjaan serta sifat mekanis dan durabilitas beton. Jika silica fume dan nanosilika dibandingkan, pozolan SiO₂ berstruktur nano lebih aktif pada tahap awal dibandingkan silica fume karena nanosilika memiliki luas permukaan spesifik dan tingkat kehalusan yang jauh lebih tinggi. Luas permukaan yang lebih besar menyediakan lebih banyak lokasi untuk bereaksi dengan beton dan secara khusus berkontribusi pada perbaikan mikrostruktur beton dengan bertindak sebagai inti nukleasi. Permeabilitas gas, yang merupakan indikator durabilitas beton, menjadi lebih baik pada beton yang diperkuat dengan nanosilika dibandingkan beton yang mengandung silica fume konvensional.
Dalam biomedis dan ilmu hayati, nanopartikel SiO₂ banyak diteliti untuk berbagai aplikasi karena luas permukaan yang tinggi, biokompatibilitas yang sangat baik, dan ukuran pori nanosilika yang dapat disesuaikan membuka berbagai aplikasi baru, termasuk penghantaran obat dan teranostik.

Grafik menunjukkan distribusi ukuran partikel nanosilika sebelum (kurva hijau) dan sesudah (kurva merah) dispersi ultrasonik.

Deaglomerasi dan Dispersi Ultrasonik Nanosilika

Prinsip kerja deaglomerasi dan dispersi ultrasonik didasarkan pada efek kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik, yang secara ilmiah dikenal sebagai kavitasi akustik. Penerapan ultrasonik berdaya tinggi dan berfrekuensi rendah dalam cairan atau sluri dapat menyebabkan kavitasi akustik dan dengan demikian menimbulkan kondisi ekstrem yang terjadi secara lokal berupa tekanan dan suhu yang sangat tinggi, serta aliran mikro dengan semburan cairan hingga 280m/s. Efek fisik dan mekanis yang intens dari kavitasi ultrasonik ini menyebabkan erosi pada permukaan partikel serta pecahnya partikel akibat tumbukan antarpartikel. Gaya yang intens dari kavitasi ultrasonik / akustik ini menjadikan sonikasi metode yang sangat efisien dan andal untuk deaglomerasi dan dispersi partikel berukuran nano seperti nanosilika, nanotube, dan material nano lainnya.

Distribusi ukuran partikel nanosilika yang dideaglomerasi secara ultrasonik (menggunakan sonikator Hielscher UP400St) dalam air dengan kandungan Aerosil 200 sebesar (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt%, dan (d) 10 wt% pada berbagai interval waktu.
Studi dan grafik: Vikash 2020.

Pemrosesan Ultrasonik Silika dengan Konsentrasi Padatan Tinggi dan dalam Cairan Kental

Mendispersikan nanopartikel pada konsentrasi rendah saja sudah merupakan tantangan karena gaya ikatan kimia seperti ikatan ionik, ikatan kovalen, ikatan hidrogen, dan interaksi van der Waals harus diatasi. Seiring meningkatnya konsentrasi nanopartikel, misalnya partikel nanosilika, interaksi kimia antarnanopartikel juga meningkat secara signifikan. Ini berarti teknik dispersi yang kuat sangat penting untuk memperoleh hasil dispersi yang baik dan stabil dalam jangka panjang. Alat pendispersi ultrasonik digunakan sebagai metode dispersi yang andal dan sangat efektif, yang dengan mudah mampu memproses sluri dengan viskositas tinggi dan bahkan pasta dengan konsentrasi padatan yang sangat tinggi. Kemampuan memproses sluri dengan kandungan padatan nanopartikel yang tinggi menjadikan ultrasonikasi teknologi pendispersi pilihan untuk material nano.
Sonikator industri Hielscher dapat memproses sluri atau pasta Anda dalam reaktor kontinu inline selama bahan tersebut dapat diumpankan melalui pompa.

Produksi Ultrasonik Nanofluida Silika

Modragon et al. (2012) menyiapkan nanofluida silika dengan mendispersikan nanopartikel silika dalam air suling menggunakan sonikator tipe probe UP400S. Untuk menghasilkan nanofluida silika yang stabil dengan kandungan padatan tertentu (yaitu 20%), viskositas rendah, dan perilaku seperti cairan, digunakan perlakuan berenergi tinggi dengan probe ultrasonik selama 5 menit, medium basa (nilai pH lebih tinggi dari 7), dan tanpa penambahan garam. Dispersi ultrasonik menghasilkan nanofluida dengan viskositas rendah. Nanofluida yang disiapkan secara ultrasonik berperilaku seperti cairan dan disiapkan dengan kandungan padatan 20% dalam waktu yang sangat singkat berkat dispersi yang baik yang dicapai melalui sonikasi.
“Dari semua metode dispersi yang tersedia, dispersi dengan probe ultrasonik telah dikonfirmasi sebagai yang paling efektif.” (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) mencapai kesimpulan yang sama untuk deaglomerasi serbuk Aerosil, dengan temuan bahwa probe ultrasonik merupakan sistem dispersi yang paling efektif karena energi yang diterapkan sangat terfokus.

Sonikator untuk Deaglomerasi dan Dispersi Nanopartikel Silika

Ketika nanosilika digunakan dalam aplikasi industri, penelitian, atau ilmu material, serbuk silika kering harus dimasukkan ke dalam fase cair. Dispersi nanosilika memerlukan teknik pendispersi yang andal dan efektif, yang menerapkan energi yang cukup untuk mendeaglomerasi partikel silika individual. Sonikator dikenal luas sebagai alat pendispersi yang kuat dan andal, sehingga digunakan untuk mendeaglomerasi dan mendistribusikan berbagai material seperti silika, nanotube, grafena, mineral, dan banyak material lainnya secara homogen ke dalam fase cair.

Hielscher Ultrasonics merancang, memproduksi, dan mendistribusikan alat pendispersi ultrasonik berkinerja tinggi untuk segala jenis aplikasi homogenisasi dan deaglomerasi. Dalam produksi nanodispersi, kontrol sonikasi yang presisi dan perlakuan ultrasonik yang andal terhadap suspensi nanopartikel sangat penting untuk memperoleh produk berkinerja tinggi.
Prosesor Hielscher Ultrasonics memberi Anda kendali penuh atas semua parameter pemrosesan penting seperti masukan energi, intensitas ultrasonik, amplitudo, tekanan, suhu, dan waktu tinggal. Dengan demikian, Anda dapat menyesuaikan parameter ke kondisi yang optimal, yang selanjutnya menghasilkan nanodispersi berkualitas tinggi seperti sluri nanosilika.
Untuk segala volume / kapasitas: Hielscher menawarkan sonikator dan portofolio aksesori yang luas. Hal ini memungkinkan konfigurasi sistem ultrasonik yang ideal untuk aplikasi dan kapasitas produksi Anda. Dari vial kecil yang berisi beberapa mililiter hingga aliran bervolume tinggi sebesar ribuan galon per jam, Hielscher menawarkan solusi ultrasonik yang sesuai untuk proses Anda.
Ketangguhan: Sistem ultrasonik kami tangguh dan andal. Semua sonikator Hielscher dibuat untuk pengoperasian 24/7/365 dan hanya memerlukan sedikit perawatan.
Kemudahan penggunaan: Perangkat lunak canggih pada perangkat ultrasonik kami memungkinkan pemilihan awal dan penyimpanan pengaturan sonikasi untuk sonikasi yang sederhana dan andal. Menu yang intuitif dapat diakses dengan mudah melalui layar sentuh digital berwarna. Kontrol jarak jauh melalui peramban memungkinkan Anda mengoperasikan dan memantau melalui peramban internet apa pun. Pencatatan data otomatis menyimpan parameter proses dari setiap proses sonikasi pada kartu SD bawaan.
Efisiensi energi yang sangat baik: Dibandingkan dengan teknologi dispersi alternatif, sonikator Hielscher unggul berkat efisiensi energi yang luar biasa dan hasil distribusi ukuran partikel yang lebih baik.

Grafik menunjukkan keunggulan signifikan dispersi ultrasonik silika dengan Hielscher UIP1000 dibandingkan dengan ultra-turrax. Ultrasonikasi membutuhkan lebih sedikit energi dan menghasilkan ukuran partikel silika yang jauh lebih kecil.

Tabel di bawah memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami: