Deagglomerazione a ultrasuoni delle nanoparticelle di silice

Le nanoparticelle di silice, come la silice pirogenica (ad es. Aerosil), sono un additivo ampiamente utilizzato in diversi settori industriali. Per ottenere nanosilice pienamente funzionale con le caratteristiche desiderate del materiale, le nanoparticelle di silice devono essere deagglomerate e distribuite come particelle disperse singolarmente. La deagglomerazione a ultrasuoni si è dimostrata una tecnica altamente efficiente e affidabile per distribuire uniformemente la nanosilice in una sospensione sotto forma di particelle disperse singolarmente.

Nanosilice – Caratteristiche e applicazioni

La silice (SiO₂) e soprattutto le nanoparticelle di silice (Si-NPs) sono additivi comuni in molti settori industriali. Le particelle di silice di dimensioni nanometriche offrono una superficie molto ampia e presentano caratteristiche uniche, sfruttate in molti settori industriali per vari scopi. Ad esempio, le proprietà uniche del SiO₂ di dimensioni nanometriche vengono sfruttate per rinforzare (nano)compositi, calcestruzzo e altri materiali. Ne sono esempi i rivestimenti a base di nanosilice che offrono proprietà ignifughe o il vetro rivestito con nanosilice, che acquisisce così proprietà antiriflesso. Nel settore edilizio e delle costruzioni, il fumo di silice (microsilice) e la nanosilice vengono utilizzati come materiali ad alta attività pozzolanica per migliorare la lavorabilità, le proprietà meccaniche e la durabilità del calcestruzzo. Confrontando il fumo di silice e la nanosilice, la pozzolana di SiO₂ nanostrutturato è più attiva nelle fasi iniziali rispetto al fumo di silice, poiché la nanosilice offre una superficie specifica e una finezza significativamente maggiori. La superficie più ampia offre un maggior numero di siti di reazione con il calcestruzzo e contribuisce in particolare a migliorarne la microstruttura, agendo da nucleo di nucleazione. La permeabilità ai gas, un indicatore della durabilità del calcestruzzo, risulta migliorata nel calcestruzzo rinforzato con nanosilice rispetto a quello contenente fumo di silice tradizionale.
In biomedicina e nelle scienze della vita, le nanoparticelle di SiO₂ sono ampiamente studiate per diverse applicazioni, poiché l’ampia superficie, l’eccellente biocompatibilità e le dimensioni regolabili dei pori della nanosilice offrono un’ampia gamma di nuove applicazioni, tra cui il rilascio di farmaci e la teranostica.

Il grafico mostra la distribuzione delle dimensioni delle particelle di nanosilice prima (curva verde) e dopo (curva rossa) la dispersione a ultrasuoni.

Deagglomerazione e dispersione a ultrasuoni della nanosilice

Il principio di funzionamento della deagglomerazione e della dispersione a ultrasuoni si basa sugli effetti della cavitazione generata dagli ultrasuoni, scientificamente nota come cavitazione acustica. L’applicazione di ultrasuoni ad alta potenza e bassa frequenza in liquidi o sospensioni può causare cavitazione acustica e quindi condizioni estreme, che si manifestano localmente sotto forma di pressioni e temperature molto elevate e microflussi con getti di liquido fino a 280m/s. Questi intensi effetti fisici e meccanici della cavitazione ultrasonica causano erosione sulla superficie delle particelle e frantumazione delle particelle mediante collisioni interparticellari. Queste intense forze della cavitazione ultrasonica / acustica rendono la sonicazione un metodo altamente efficiente e affidabile per la deagglomerazione e la dispersione di particelle di dimensioni nanometriche, come nanosilice, nanotubi e altri nanomateriali.

Distribuzione delle dimensioni delle particelle di nanosilice deagglomerata mediante ultrasuoni (utilizzando il sonicatore Hielscher UP400St) in acqua con (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% e (d) 10 wt% di Aerosil 200 a diversi intervalli di tempo.
Studio e grafici: Vikash 2020.

Trattamento a ultrasuoni della silice ad alte concentrazioni di solidi e in liquidi viscosi

Disperdere nanoparticelle a basse concentrazioni è già una sfida, poiché occorre superare le forze dei legami chimici, come i legami ionici, i legami covalenti, i legami a idrogeno e le interazioni di van der Waals. All’aumentare della concentrazione delle nanoparticelle, ad esempio delle particelle di nanosilice, aumenta significativamente anche l’interazione chimica tra le nanoparticelle. Ciò significa che una tecnica di dispersione potente è essenziale per ottenere buoni risultati di dispersione, stabili a lungo termine. I dispersori a ultrasuoni vengono utilizzati come metodo di dispersione affidabile e altamente efficace, facilmente in grado di trattare sospensioni ad alta viscosità e persino paste con concentrazioni di solidi molto elevate. La capacità di trattare sospensioni con un elevato contenuto di nanoparticelle solide rende la sonicazione la tecnologia di dispersione preferita per i nanomateriali.
I sonicatori industriali Hielscher possono trattare la vostra sospensione o pasta in un reattore in linea continuo, purché possa essere alimentata tramite una pompa.

Produzione a ultrasuoni di nanofluidi di silice

Modragon et al. (2012) hanno preparato nanofluidi di silice disperdendo nanoparticelle di silice in acqua distillata mediante il sonicatore a sonda UP400S. Per produrre nanofluidi di silice stabili con un determinato contenuto di solidi (ossia 20%), bassa viscosità e comportamento simile a quello di un liquido, si ricorre a un trattamento ad alta energia con una sonda a ultrasuoni per 5 minuti, in un mezzo basico (valori di pH superiori a 7) e senza aggiunta di sali. La dispersione a ultrasuoni ha prodotto nanofluidi a bassa viscosità. I nanofluidi preparati mediante ultrasuoni si comportavano come un liquido e sono stati preparati con un contenuto di solidi del 20% in un tempo molto breve, grazie alla buona dispersione ottenuta con la sonicazione.
“Tra tutti i metodi di dispersione disponibili, la dispersione con sonde a ultrasuoni si è confermata la più efficace.” (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) sono giunti alla stessa conclusione per la deagglomerazione della polvere di Aerosil, riscontrando che la sonda a ultrasuoni è il sistema di dispersione più efficace grazie all’energia applicata altamente focalizzata.

Sonicatori per la deagglomerazione e la dispersione delle nanoparticelle di silice

Quando la nanosilice viene utilizzata in applicazioni industriali, nella ricerca o nella scienza dei materiali, la polvere di silice secca deve essere incorporata in una fase liquida. La dispersione della nanosilice richiede una tecnica di dispersione affidabile ed efficace, che applichi energia sufficiente per deagglomerare le singole particelle di silice. I sonicatori sono ben noti come dispersori potenti e affidabili e vengono quindi utilizzati per deagglomerare e distribuire omogeneamente in una fase liquida diversi materiali, come silice, nanotubi, grafene, minerali e molti altri materiali.

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni per ogni tipo di applicazione di omogeneizzazione e deagglomerazione. Nella produzione di nanodispersioni, un controllo preciso della sonicazione e un trattamento a ultrasuoni affidabile della sospensione di nanoparticelle sono essenziali per ottenere prodotti ad alte prestazioni.
I processori di Hielscher Ultrasonics vi offrono il pieno controllo di tutti i parametri di trattamento importanti, come apporto energetico, intensità ultrasonica, ampiezza, pressione, temperatura e tempo di permanenza. Potete così regolare i parametri su condizioni ottimizzate, ottenendo nanodispersioni di alta qualità, come le sospensioni di nanosilice.
Per qualsiasi volume / capacità: Hielscher offre sonicatori e un’ampia gamma di accessori. Ciò consente di configurare il sistema a ultrasuoni ideale per la vostra applicazione e capacità produttiva. Dai piccoli flaconcini contenenti pochi millilitri ai flussi ad alto volume di migliaia di galloni all’ora, Hielscher offre la soluzione a ultrasuoni adatta al vostro processo.
Robustezza: I nostri sistemi a ultrasuoni sono robusti e affidabili. Tutti i sonicatori Hielscher sono costruiti per il funzionamento 24/7/365 e richiedono pochissima manutenzione.
Facilità d’uso: Il sofisticato software dei nostri dispositivi a ultrasuoni consente di preselezionare e salvare le impostazioni di sonicazione per una sonicazione semplice e affidabile. Il menu intuitivo è facilmente accessibile tramite un display digitale touch a colori. Il controllo remoto tramite browser consente di gestire e monitorare il dispositivo attraverso qualsiasi browser Internet. La registrazione automatica dei dati salva i parametri di processo di ogni ciclo di sonicazione su una scheda SD integrata.
Eccellente efficienza energetica: Rispetto alle tecnologie di dispersione alternative, i sonicatori Hielscher si distinguono per l’eccezionale efficienza energetica e i risultati superiori nella distribuzione delle dimensioni delle particelle.

Il grafico mostra il significativo vantaggio della dispersione a ultrasuoni della silice con Hielscher UIP1000 rispetto a un ultra-turrax. La sonicazione richiede meno energia e permette di ottenere particelle di silice di dimensioni drasticamente inferiori.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: