Deagglomerazione ultrasonica di nanoparticelle di silice

Le nanoparticelle di silice come la silice fumata (ad esempio Aerosil) sono un additivo ampiamente utilizzato in varie industrie. Al fine di ottenere nanosilice completamente funzionale con le caratteristiche del materiale desiderate, le nano-particelle di silice devono essere deagglomerate e distribuite come particelle singole disperse. La deagglomerazione a ultrasuoni ha dimostrato di essere una tecnica altamente efficiente e affidabile per distribuire uniformemente la nanosilice come particelle monodisperse in una sospensione.

Nanosilice – Caratteristiche e applicazioni

Silica powder with a beaker of water before ultrasonic dispersion.Silice (SiO2) e specialmente le nanoparticelle di silice (Si-NPs) sono additivi comuni in molte industrie. Le nanoparticelle di silice offrono un'area superficiale molto grande ed esprimono caratteristiche uniche delle particelle, che vengono utilizzate in molte industrie per vari scopi. Per esempio, le proprietà uniche del materiale di SiO2 sono applicati per rinforzare (nano-)compositi, calcestruzzo e altri materiali. Esempi sono i rivestimenti a base di nanosilice che offrono proprietà ignifughe o il vetro rivestito di nanosilice che guadagna così proprietà antiriflesso. Nell'industria dell'edilizia e delle costruzioni, il fumo di silice (microsilice) e la nanosilice sono usati come materiale altamente pozzolanico che viene utilizzato per migliorare la lavorabilità e le proprietà meccaniche e di durata del calcestruzzo. Quando il fumo di silice e la nanosilice vengono confrontati, il SiO2 La pozzolana è più attiva nella fase iniziale rispetto al fumo di silice, poiché la nanosilice offre una superficie specifica e una finezza significativamente maggiori. La maggiore superficie offre più siti per reagire con il calcestruzzo e contribuisce specificamente a una migliore microstruttura del calcestruzzo agendo come nucleo. La permeabilità ai gas, un indicatore della durata del calcestruzzo, è migliorata nel calcestruzzo rinforzato con nano-silice rispetto al calcestruzzo contenente il tradizionale fumo di silice.
In biomedicina e nelle scienze della vita, SiO2 Le nanoparticelle sono ampiamente studiate per diverse applicazioni poiché l'alta area superficiale, l'eccellente biocompatibilità e la dimensione dei pori sintonizzabile della nanosilice offrono una vasta gamma di nuove applicazioni tra cui la consegna di farmaci e la terapeutica.

Ultrasonication is a highly efficient and reliable technique for the deagglomeration and dispersion of nano-silica.

Il grafico mostra la distribuzione granulometrica della nano-silice prima (curva verde) e dopo (curva rossa) la dispersione ultrasonica.

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The UIP2000hdT is a powerful ultrasonic disperser used for the deagglomeration of nano-silica with high solid loads.

Fanghi di nano-silice – con carichi solidi da bassi a molto alti – può essere disperso in modo affidabile usando gli ultrasuoni. L'immagine mostra il UIP2000hdT in una configurazione batch.

Deagglomerazione e dispersione ultrasonica della nano-silice

Il principio di funzionamento della deagglomerazione e dispersione ultrasonica 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 fanghi può causare cavitazione acustica e quindi condizioni estreme, che si verificano localmente come pressioni e temperature molto elevate, e microcorrenti con getti di liquido fino a 280m/s. Questi intensi effetti fisici e meccanici della cavitazione ultrasonica causano l'erosione della superficie delle particelle e la frantumazione delle particelle attraverso la collisione tra le particelle stesse. Queste intense forze di cavitazione ultrasonica/acustica rendono la sonicazione un metodo altamente efficiente e affidabile per la disagglomerazione e la dispersione di particelle di dimensioni nano come nano-silice, nanotubi e altri nano materiali.

Ultrasonic deagglomeration and dispersion of nano-silica results in uniformly distributed SiO2 nanoparticles

Distribuzione granulometrica di nano-silice deagglomerata ad ultrasuoni (utilizzando l'ultrasuonatore Hielscher UP400St) in acqua di (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt%, e (d) 10 wt% Aerosil 200 a diversi intervalli di tempo.
Studio e grafici: Vikash 2020.

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

Disperdere le nanoparticelle a basse concentrazioni è già una sfida, poiché le forze di legame chimico come i legami ionici, i legami covalenti, i legami idrogeno e le interazioni di van der Waals devono essere superate. Con l'aumento della concentrazione delle nanoparticelle, ad esempio le nano particelle di silice, anche l'interazione chimica tra le nanoparticelle aumenta significativamente. Questo significa che una tecnica di dispersione potente è essenziale per ottenere risultati di dispersione buoni e stabili a lungo termine. I disperditori a ultrasuoni sono utilizzati come metodo di dispersione affidabile e altamente efficace, che sono facilmente in grado di elaborare impasti con viscosità elevate e persino paste con concentrazioni solide molto elevate. La capacità di elaborare impasti con alti carichi solidi di nano-particelle trasforma l'ultrasuoni nella tecnologia di dispersione preferita per i nano-materiali.
Gli ultrasuoni industriali Hielscher possono trattare i vostri fanghi o paste in un reattore continuo in linea, purché possano essere alimentati da una pompa.

Produzione ultrasonica di nanofluidi di silice

Modragon et al. (2012) hanno preparato nanofluidi di silice preparati disperdendo nanoparticelle di silice in acqua distillata utilizzando il sonda ad ultrasuoni UP400S. Al fine di produrre nanofluidi di silice stabili con un certo contenuto solido (cioè il 20%), con bassa viscosità e come il comportamento liquido, consistono in un trattamento ad alta energia con una sonda a ultrasuoni per 5 minuti, mezzi basici (valori di pH superiori a 7) e nessuna aggiunta di sale. La dispersione ad ultrasuoni ha prodotto nanofluidi con bassa viscosità. I nanofluidi preparati con gli ultrasuoni si sono comportati come liquidi e sono stati preparati con il 20% di carico solido 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 è stata confermata come la più efficace." (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) sono giunti alla stessa conclusione per la deagglomerazione della polvere Aerosil trovando che la sonda a ultrasuoni è il sistema di dispersione più efficace grazie all'energia altamente focalizzata applicata.

Nano-dispersione a ultrasuoni con l'ultrasuonatore UP400ST

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Ultrasuoni per la deagglomerazione e la dispersione di nanoparticelle di silice

Quando la nano-silice 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 nano-silice richiede una tecnica di dispersione affidabile ed efficace, che applichi abbastanza energia per deagglomerare le singole particelle di silice. Gli ultrasuoni sono ben noti come disperditori potenti e affidabili, quindi utilizzati per deagglomerare e distribuire vari materiali come silice, nanotubi, grafene, minerali e molti altri materiali in modo omogeneo in una fase liquida.

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni per qualsiasi tipo di applicazione di omogeneizzazione e deagglomerazione. Quando si tratta della produzione di nano-dispersioni, un controllo preciso della sonicazione e un trattamento ultrasonico affidabile della sospensione di nanoparticelle sono essenziali per ottenere prodotti ad alte prestazioni.
I processori della Hielscher Ultrasonics vi danno il pieno controllo su tutti i parametri di lavorazione importanti come l'input di energia, l'intensità ultrasonica, l'ampiezza, la pressione, la temperatura e il tempo di ritenzione. In questo modo, è possibile regolare i parametri in condizioni ottimizzate, il che porta successivamente a una nano-dispersione di alta qualità come gli slurry di nanosilice.
Per qualsiasi volume/capacità: Hielscher offre ultrasuoni e un ampio portafoglio di accessori. Questo permette di configurare il sistema a ultrasuoni ideale per la vostra applicazione e capacità produttiva. Da piccole fiale contenenti pochi millilitri a flussi ad alto volume di migliaia di litri all'ora, la Hielscher offre la soluzione a ultrasuoni adatta al vostro processo.
Robustezza: I nostri sistemi a ultrasuoni sono robusti e affidabili. Tutti gli ultrasuoni Hielscher sono costruiti per un funzionamento 24/7/365 e richiedono pochissima manutenzione.
Facilità d'uso: Il software elaborato dei nostri dispositivi a ultrasuoni permette la preselezione e il salvataggio delle impostazioni di sonicazione per una sonicazione semplice e affidabile. Il menu intuitivo è facilmente accessibile tramite un touch-display digitale a colori. Il controllo remoto del browser permette di operare e monitorare tramite qualsiasi browser internet. La registrazione automatica dei dati salva i parametri di processo di ogni sonicazione su una scheda SD integrata.
Eccellente efficienza energetica: Se confrontati con tecnologie di dispersione alternative, gli ultrasuoni Hielscher eccellono per l'eccezionale efficienza energetica e i risultati superiori nella distribuzione delle dimensioni delle particelle.

Ultrasonication excels the ultra-turrax in energy efficiency and particle size reduction of silica nanoparticles significantly.

Il grafico mostra il vantaggio significativo della dispersione ultrasonica della silice con l'Hielscher UIP1000 rispetto a un ultra-turrax. L'ultrasuonazione richiede meno energia e raggiunge una dimensione delle particelle di silice drasticamente più piccola.

Perché Hielscher Ultrasonics?

  • alta efficienza
  • Tecnologia all'avanguardia
  • attendibilità & robustezza
  • lotto & in linea
  • per qualsiasi volume – da piccole fiale a carichi di camion all'ora
  • Scientificamente provato
  • software intelligente
  • caratteristiche intelligenti (per esempio, protocollatura dei dati)
  • CIP (clean-in-place)

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.

Letteratura / Referenze




High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensione industriale.