Deagglomerazione ultrasonica di nanoparticelle di silice

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

Nanosilice – Caratteristiche e applicazioni

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 ed esprimono caratteristiche uniche, che vengono utilizzate in molti settori per vari scopi. Ad esempio, le proprietà uniche dei materiali delle nanoparticelle di SiO₂ sono applicati per rinforzare (nano-)compositi, calcestruzzo e altri materiali. Ne sono un esempio i rivestimenti a base di nanosilice che offrono proprietà ignifughe o il vetro rivestito di nanosilice che acquista così proprietà antiriflesso. Nell'industria edile e delle costruzioni, il fumo di silice (microsilice) e la nanosilice sono utilizzati come materiali altamente pozzolanici, impiegati per migliorare la lavorabilità e le proprietà meccaniche e di durata del calcestruzzo. Se si confrontano il fumo di silice e la nanosilice, la nano-struttura di 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 di reazione con il calcestruzzo e contribuisce in modo specifico a migliorare la microstruttura del calcestruzzo agendo come un nucleo. La permeabilità ai gas, un indicatore della durabilità del calcestruzzo, è migliorata nel calcestruzzo rinforzato con nano-silice rispetto al calcestruzzo contenente fumo di silice tradizionale.
In biomedicina e scienze della vita, SiO₂ Le nanoparticelle sono ampiamente studiate per diverse applicazioni, poiché l'elevata area superficiale, l'eccellente biocompatibilità e la dimensione dei pori regolabile della nanosilice offrono un'ampia gamma di nuove applicazioni, tra cui la somministrazione di farmaci e la terapeutica.

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

Deagglomerazione e dispersione ad ultrasuoni di nano-silice

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 fanghi può provocare la cavitazione acustica e quindi condizioni estreme, che si manifestano localmente come pressioni e temperature molto elevate e microflussi con getti di liquido fino a 280 m/s. Questi intensi effetti fisici e meccanici della cavitazione ultrasonica causano l'erosione della superficie delle particelle e la loro frantumazione attraverso la collisione interparticellare. Queste intense forze di cavitazione ultrasonica/acustica rendono la sonicazione un metodo altamente efficiente e affidabile per la deagglomerazione e la dispersione di particelle di dimensioni nanometriche come la nano-silice, i nanotubi e altri nano materiali.

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% di Aerosil 200 a diversi intervalli di tempo.
Studio e grafici: Vikash 2020.

Trattamento a ultrasuoni della silice con alte concentrazioni solide e in liquidi viscosi

Disperdere le nanoparticelle a basse concentrazioni è già una sfida, poiché è necessario superare le forze di legame chimico come i legami ionici, i legami covalenti, i legami idrogeno e le interazioni di van der Waals. Con l'aumento della concentrazione delle nanoparticelle, ad esempio le particelle di nano-silice, anche l'interazione chimica tra le nanoparticelle aumenta in modo significativo. Ciò significa che una tecnica di dispersione potente è essenziale per ottenere risultati di dispersione buoni e stabili a lungo termine. I dispersori a ultrasuoni sono utilizzati come metodo di dispersione affidabile e altamente efficace, in grado di lavorare facilmente impasti con viscosità elevate e persino paste con concentrazioni solide molto elevate. La capacità di trattare impasti con elevati carichi solidi di nanoparticelle fa sì che gli ultrasuoni diventino la tecnologia di dispersione preferita per i nanomateriali.
Gli ultrasuonatori industriali Hielscher sono in grado di trattare il vostro fango o la vostra pasta in un reattore continuo in linea, purché possa essere alimentato da una pompa.

Produzione a ultrasuoni di nanofluidi di silice

Modragon et al. (2012) hanno preparato nanofluidi a base di silice, ottenuti disperdendo nanoparticelle di silice in acqua distillata utilizzando il metodo ultrasuonatore a sonda UP400S. Per produrre nanofluidi di silice stabili con un certo contenuto solido (cioè il 20%), con bassa viscosità e comportamento simile a quello di un liquido, si è proceduto a un trattamento ad alta energia con una sonda a ultrasuoni per 5 minuti, con mezzi basici (valori di pH superiori a 7) e senza aggiunta di sali. La dispersione a ultrasuoni ha permesso di ottenere nanofluidi a bassa viscosità. I nanofluidi preparati a 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 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, scoprendo che la sonda a ultrasuoni è il sistema di dispersione più efficace grazie all'energia altamente focalizzata applicata.

Ultrasuonatori per la deagglomerazione e la dispersione di nanoparticelle di silice

Quando la nano-silice viene utilizzata nelle 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 un'energia sufficiente a deagglomerare le singole particelle di silice. Gli ultrasuoni sono ben noti come disperdenti potenti e affidabili, pertanto vengono utilizzati per deagglomerare e distribuire in modo omogeneo vari materiali come silice, nanotubi, grafene, minerali e molti altri materiali 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 di produrre 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 di Hielscher Ultrasonics consentono il pieno controllo di tutti i parametri di lavorazione più importanti, come l'energia immessa, l'intensità degli ultrasuoni, l'ampiezza, la pressione, la temperatura e il tempo di ritenzione. In questo modo, è possibile regolare i parametri in condizioni ottimizzate, che portano successivamente a una nano-dispersione di alta qualità, come gli impasti di nanosilice.
Per qualsiasi volume/capacità: Hielscher offre ultrasuonatori e un'ampia gamma di accessori. Ciò consente 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, Hielscher offre la soluzione a ultrasuoni adatta al vostro processo.
Robustezza: I nostri sistemi a ultrasuoni sono robusti e affidabili. Tutti gli ultrasonici Hielscher sono costruiti per funzionare 24/7/365 e richiedono pochissima manutenzione.
Facilità d'uso: Il software elaborato 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 a sfioramento colorato. Il controllo remoto via browser consente 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: Rispetto alle tecnologie di dispersione alternative, gli ultrasuoni Hielscher eccellono per l'eccezionale efficienza energetica e i risultati superiori nella distribuzione delle dimensioni delle particelle.

Il grafico mostra il vantaggio significativo della dispersione ad ultrasuoni della silice con l'Hielscher UIP1000 rispetto a un ultra-turrax. L'ultrasuonizzazione richiede meno energia e consente di ottenere particelle di silice di dimensioni drasticamente inferiori.

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