Deaglomerasi Ultrasonik Nanopartikel Silika

Nanopartikel silika seperti silika berasap (misalnya Aerosil) adalah aditif yang banyak digunakan di berbagai industri. Untuk mendapatkan nanosilika yang berfungsi penuh dengan karakteristik material yang diinginkan, nano-partikel silika harus dideaglomerasi dan didistribusikan sebagai partikel terdispersi tunggal. Deaglomerasi ultrasonik telah terbukti menjadi teknik yang sangat efisien dan andal untuk mendistribusikan nanosilika secara seragam sebagai partikel terdispersi tunggal dalam suspensi.

nanosilika – Karakteristik dan Aplikasi

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

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

Deaglomerasi Ultrasonik dan Dispersi Nano-Silika

Prinsip kerja deaglomerasi dan dispersi ultrasonik didasarkan pada efek kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik, secara ilmiah dikenal sebagai kavitasi akustik. Penerapan ultrasound frekuensi rendah berdaya tinggi 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 microstreaming dengan jet cair hingga 280m/s. Efek fisik dan mekanis yang intens dari kavitasi ultrasonik ini menyebabkan erosi pada permukaan partikel serta hancurnya partikel melalui tabrakan antar-partikel. Kekuatan kavitasi ultrasonik / akustik yang intens ini membuat sonikasi menjadi metode yang sangat efisien dan andal untuk deaglomerasi dan dispersi partikel berukuran nano seperti nano-silika, nanotube dan bahan nano lainnya.

Distribusi ukuran partikel nano-silika yang dideaglomerasi secara ultrasonik (menggunakan ultrasonicator 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.

Pemrosesan Ultrasonik Silika dengan Konsentrasi Padat Tinggi dan dalam Cairan Kental

Menyebarkan nanopartikel pada konsentrasi rendah sudah menjadi tantangan karena gaya ikatan kimia seperti ikatan ionik, ikatan kovalen, 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 dengan mudah mampu memproses bubur dengan viskositas tinggi dan bahkan pasta dengan konsentrasi padat yang sangat tinggi. Kemampuan untuk memproses bubur dengan beban padat partikel nano yang tinggi mengubah ultrasonikasi menjadi teknologi pendispersi yang disukai untuk bahan nano.
Ultrasonicator industri Hielscher dapat memproses bubur atau pasta Anda dalam reaktor in-line kontinu selama dapat diumpankan melalui pompa.

Produksi Ultrasonik Nanofluida Silika

Modragon et al. (2012) menyiapkan nanofluida silika yang dibuat dengan mendispersikan nanopartikel silika dalam air suling menggunakan ultrasonicator tipe probe UP400S. Untuk menghasilkan nanofluida silika yang stabil dengan kandungan padatan tertentu (yaitu, 20%), dengan viskositas rendah dan perilaku cairan seperti itu, terdiri dari perlakuan energi tinggi dengan probe ultrasound selama 5 menit, media dasar (nilai pH lebih tinggi dari 7) dan tanpa penambahan garam. Dispersi ultrasonik menghasilkan nanofluida dengan viskositas rendah. Cairan nano 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 deaglomerasi bubuk Aerosil menemukan bahwa probe ultrasonik adalah sistem dispersi yang paling efektif karena energi yang sangat terfokus yang diterapkan.

Ultrasonicators untuk Deaglomerasi dan Dispersi Nanopartikel Silika

Ketika nano-silika digunakan dalam aplikasi industri, penelitian atau ilmu material, bubuk silika kering harus dimasukkan ke dalam fase cair. Dispersi nano-silika membutuhkan teknik dispersi yang andal dan efektif, yang menerapkan energi yang cukup untuk mendeaglomerasi partikel silika tunggal. Ultrasonicators terkenal sebagai disperser yang kuat dan andal, oleh karena itu digunakan untuk mendeaglomerasi 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 berkinerja tinggi untuk segala jenis aplikasi homogenisasi dan deaglomerasi. Ketika datang ke produksi dispersi nano, kontrol sonikasi yang tepat dan perawatan ultrasonik yang andal dari suspensi nanopartikel sangat penting untuk mendapatkan produk berkinerja tinggi.
Prosesor Hielscher Ultrasonics memberi Anda kendali 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 selanjutnya mengarah pada dispersi nano berkualitas tinggi seperti bubur nanosilika.
Untuk volume / kapasitas apa pun: Hielscher menawarkan ultrasonicator dan portofolio aksesori yang luas. Hal ini memungkinkan konfigurasi sistem ultrasonik yang ideal untuk aplikasi dan kapasitas produksi Anda. Dari botol kecil yang berisi 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 ultrasonicator Hielscher dibuat untuk operasi 24/7/365 dan membutuhkan sedikit perawatan.
Keramahan pengguna: Perangkat lunak yang diuraikan dari perangkat ultrasonik kami memungkinkan pra-seleksi dan penyimpanan pengaturan sonikasi untuk sonikasi yang sederhana dan andal. Menu intuitif mudah diakses melalui layar sentuh berwarna digital. Kontrol browser jarak jauh memungkinkan Anda untuk mengoperasikan dan memantau melalui browser internet apa pun. Perekaman data otomatis menyimpan parameter proses dari setiap sonikasi 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.

Bagan menunjukkan keuntungan signifikan dari dispersi ultrasonik silika dengan Hielscher UIP1000 jika dibandingkan dengan ultra-turrax. Ultrasonikasi membutuhkan lebih sedikit energi dan mencapai ukuran partikel silika yang jauh lebih kecil.

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