Ultrasonic Deagglomeration dari Silika Nanopartikel

Nanopartikel silika seperti fumed silika (misalnya Aerosil) adalah aditif yang banyak digunakan di berbagai industri. Untuk mendapatkan nanosilika yang berfungsi penuh dengan karakteristik material yang diinginkan, partikel nano silika harus dideagglomerasi dan didistribusikan sebagai partikel yang tersebar tunggal. Deagglomerasi ultrasonik telah terbukti menjadi teknik yang sangat efisien dan dapat diandalkan untuk mendistribusikan nanosilica seragam sebagai partikel tersebar tunggal dalam suspensi.

Nanosilica – Karakteristik dan Aplikasi

Silika (SiO₂) dan terutama nanopartikel silika (Si-NPs) adalah aditif umum di banyak industri. Partikel silika berukuran nano menawarkan area permukaan yang sangat besar dan mengekspresikan karakteristik partikel unik, yang digunakan di banyak industri untuk berbagai keperluan. Misalnya, sifat material unik dari SiO berukuran nano₂ diterapkan untuk memperkuat (nano-)komposit, beton dan bahan lainnya. Contohnya adalah pelapis berbasis nanosilika yang menawarkan sifat tahan api atau kaca yang dilapisi nanosilika yang memperoleh sifat antireflektif. Dalam industri bangunan dan konstruksi, asap silika (mikrosilika) dan nanosilika digunakan sebagai bahan yang sangat pozzolanik yang digunakan untuk meningkatkan kemampuan kerja serta sifat mekanik dan daya tahan beton. Ketika asap silika dan nanosilika dibandingkan, SiO yang terstruktur nano₂ pozzolan lebih aktif pada tahap awal daripada asap silika karena nanosilica menawarkan area permukaan spesifik yang jauh lebih besar dan kehalusan. Area permukaan yang lebih besar menawarkan lebih banyak situs untuk bereaksi dengan beton dan berkontribusi khusus untuk mikrostruktur beton yang ditingkatkan dengan bertindak sebagai inti. Permeabilitas gas, indikator untuk daya tahan beton, ditingkatkan dalam beton yang diperkuat dengan nano-silika dibandingkan dengan beton yang mengandung asap silika tradisional.
Dalam biomedis dan ilmu hayati, SiO₂ nanopartikel secara luas diselidiki untuk aplikasi yang berbeda sejak area permukaan tinggi, biokompatibilitas yang sangat baik, dan ukuran pori nanosilika yang dapat disetel menawarkan berbagai aplikasi baru termasuk pengiriman obat dan theranostik.

Grafik menunjukkan distribusi ukuran partikel nano-silika sebelum (kurva hijau) dan setelah (kurva merah) dispersi ultrasonik.

Ultrasonic deagglomeration dan dispersi Nano-Silica

Prinsip kerja deagglomeration ultrasonik dan dispersi didasarkan pada efek kavitasi ultrasonically dihasilkan, secara ilmiah dikenal sebagai kavitasi akustik. Penerapan ultrasound berdaya tinggi frekuensi rendah dalam cairan atau bubur dapat menyebabkan kavitasi akustik dan dengan demikian kondisi ekstrem, yang terjadi secara lokal sebagai tekanan dan suhu yang sangat tinggi, dan mikrostreaming dengan jet cair hingga 280m / s. Efek fisik dan mekanik yang intens dari kavitasi ultrasonik menyebabkan erosi pada permukaan partikel serta menghancurkan partikel melalui tabrakan antar-partikel. Kekuatan intens kavitasi ultrasonik / akustik ini membuat sonikasi metode yang sangat efisien dan dapat diandalkan untuk deagglomerasi dan dispersi partikel berukuran nano auch sebagai nano-silika, nanotube dan bahan nano lainnya.

Distribusi ukuran partikel ultrasonically deagglomerated nano-silica (menggunakan ultrasonikator Hielscher UP400St) dalam air (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt%, dan (d) 10 wt% Aerosil 200 pada interval waktu yang berbeda.
Studi dan grafik: Vikash 2020.

Ultrasonic pengolahan Silika dengan Konsentrasi Padat Tinggi dan dalam Cairan Kental

Menyebarkan nanopartikel pada konsentrasi rendah sudah menjadi tantangan karena kekuatan ikatan kimia seperti ikatan ionik, ikatan valenen, ikatan hidrogen, dan interaksi van der Waals harus diatasi. Dengan meningkatnya konsentrasi nanopartikel, misalnya, partikel nano-silika, interaksi kimia antara nanopartikel juga meningkat secara signifikan. Ini berarti teknik dispersi yang kuat sangat penting untuk mendapatkan hasil dispersi stabil jangka panjang yang baik. Disperser ultrasonik digunakan sebagai metode dispersi yang andal dan sangat berkhasiat, yang mudah mampu memproses bubur dengan viskositas tinggi dan bahkan pasta dengan konsentrasi padat yang sangat tinggi. Kemampuan untuk memproses bubur dengan beban padat tinggi partikel nano mengubah ultrasonikasi menjadi teknologi dispersi yang disukai untuk nano-bahan.
Ultrasonicators industri Hielscher dapat memproses bubur atau pasta Anda dalam reaktor in-line terus menerus selama dapat diberi makan melalui pompa.

Ultrasonic produksi Silica Nanofluids

Modragon et al. (2012) menyiapkan nanofluid silika yang disiapkan dengan menyebarkan nanopartikel silika dalam air suling menggunakan probe-jenis ultrasonicator UP400S. Untuk menghasilkan nanofluid silika yang stabil dengan kandungan padat tertentu (yaitu, 20%), dengan viskositas rendah dan seperti perilaku cair, terdiri dari perawatan energi tinggi dengan probe ultrasound selama 5 menit, media dasar (nilai pH lebih tinggi dari 7) dan tidak ada penambahan garam. Dispersi ultrasonik menghasilkan nanofluid dengan viskositas rendah. Nanofluid yang disiapkan secara ultrasonik berperilaku seperti cairan dan disiapkan dengan 20% pemuatan padat dalam waktu yang sangat singkat berkat dispersi yang baik yang dicapai dengan sonikasi.
"Dari semua metode dispersi yang tersedia, dispersi dengan probe ultrasonik telah dikonfirmasi sebagai yang paling efektif." (Modragon dkk., 2012)
Petzold et al. (2009) sampai pada kesimpulan yang sama untuk deagglomeration bubuk Aerosil menemukan bahwa probe ultrasonik adalah sistem dispersi yang paling efektif karena energi yang sangat fokus diterapkan.

Ultrasonicators untuk Deagglomeration dan Dispersi Silica Nanoparticles

Ketika nano-silika digunakan dalam aplikasi industri, penelitian atau ilmu material, bubuk silika kering imust dimasukkan ke dalam fase cair. Dispersi nano-silika membutuhkan teknik dispersi yang andal dan efektif, yang menerapkan energi yang cukup untuk mendeagglomerasi partikel silika tunggal. Ultrasonicators terkenal sebagai disperser yang kuat dan dapat diandalkan, oleh karena itu digunakan untuk deagglomerate dan mendistribusikan berbagai bahan seperti silika, nanotube, graphene, mineral dan banyak bahan lainnya secara homogen ke dalam fase cair.

Hielscher Ultrasonics merancang, memproduksi dan mendistribusikan disperser ultrasonik kinerja tinggi untuk segala jenis homogenisasi dan aplikasi deagglomeration. Ketika datang ke produksi nano-dispersi, kontrol sonikasi yang tepat dan perawatan ultrasonik yang dapat diandalkan dari suspensi nanopartikel sangat penting untuk mendapatkan produk berkinerja tinggi.
Prosesor Hielscher Ultrasonics memberi Anda kontrol penuh atas semua parameter pemrosesan penting seperti input energi, intensitas ultrasonik, amplitudo, tekanan, suhu dan waktu retensi. Dengan demikian, Anda dapat menyesuaikan parameter dengan kondisi yang dioptimalkan, yang kemudian mengarah ke dispersi nano berkualitas tinggi seperti bubur nanosilika.
Untuk volume / kapasitas apa pun: Hielscher menawarkan ultrasonicators dan portofolio aksesoris yang luas. Ini memungkinkan konfigurasi sistem ultrasonik yang ideal untuk aplikasi dan kapasitas produksi Anda. Dari botol kecil yang mengandung beberapa mililiter hingga aliran volume tinggi ribuan galon per jam, Hielscher menawarkan solusi ultrasonik yang cocok untuk proses Anda.
Ketahanan: Sistem ultrasonik kami kuat dan dapat diandalkan. Semua ultrasonicators Hielscher dibangun untuk operasi 24/7/365 dan membutuhkan pemeliharaan yang sangat sedikit.
Keramahan pengguna: Perangkat lunak yang diuraikan dari perangkat ultrasonik kami memungkinkan pra-seleksi dan penghematan pengaturan sonikasi untuk sonikasi yang sederhana dan dapat diandalkan. Menu intuitif mudah diakses melalui layar sentuh berwarna digital. Kontrol browser jarak jauh memungkinkan Anda untuk beroperasi dan memantau melalui browser internet apa pun. Perekaman data otomatis menyimpan parameter proses sonikasi apa pun yang dijalankan pada kartu SD bawaan.
Efisiensi energi yang sangat baik: Jika dibandingkan dengan teknologi dispersi alternatif, ultrasonicators Hielscher unggul dengan efisiensi energi yang luar biasa dan hasil yang unggul dalam distribusi ukuran partikel.

Grafik menunjukkan keuntungan signifikan dari dispersi ultrasonik silika dengan Hielscher UIP1000 jika dibandingkan dengan ultra-turrax. Ultrasonication membutuhkan lebih sedikit energi dan mencapai secara drastis partikel yang lebih kecil ukuran silika.

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: