シリカナノ粒子の超音波解凝集

ヒュームドシリカ（例：Aerosil）などのシリカナノ粒子は、さまざまな産業で広く使用されている添加剤です。所望の材料特性を備え、十分に機能するナノシリカを得るには、シリカナノ粒子を解凝集し、個々の粒子として分散させる必要があります。超音波解凝集は、懸濁液中でナノシリカを個々の粒子として均一に分散させる、効率と信頼性が非常に高い技術であることが実証されています。

ナノシリカ – 特性と用途

シリカ（SiO₂）、特にシリカナノ粒子（Si-NPs）は、多くの産業で一般的に使用される添加剤です。ナノサイズのシリカ粒子は非常に大きな表面積と独自の粒子特性を持ち、多くの産業でさまざまな目的に利用されています。例えば、ナノサイズのSiO₂ の独自の材料特性は、（ナノ）複合材料、コンクリート、その他の材料を強化するために利用されています。その例として、耐火性をもたらすナノシリカベースのコーティングや、ナノシリカでコーティングすることによって反射防止特性を得たガラスが挙げられます。建築・建設業界では、シリカフューム（マイクロシリカ）とナノシリカが、ポゾラン活性の高い材料として使用され、コンクリートの施工性、機械的特性、耐久性の向上に役立てられています。シリカフュームとナノシリカを比較すると、ナノ構造のSiO₂ ポゾランは、シリカフュームよりも初期段階での活性が高くなります。これは、ナノシリカの比表面積と微細度が著しく大きいためです。表面積が大きいほどコンクリートと反応する部位が増え、核として作用することで、特にコンクリートの微細構造の改善に寄与します。コンクリートの耐久性の指標であるガス透過性は、従来のシリカフュームを含むコンクリートと比較して、ナノシリカで強化したコンクリートで改善されます。
生物医学および生命科学の分野では、SiO₂ ナノ粒子のさまざまな用途が広く研究されています。ナノシリカの大きな表面積、優れた生体適合性、調整可能な細孔径により、薬物送達やセラノスティクスなど、幅広い新たな用途が可能になるためです。

このグラフは、超音波分散前（緑色の曲線）と分散後（赤色の曲線）のナノシリカの粒度分布を示しています。

ナノシリカの超音波解凝集と分散

超音波解凝集と分散の動作原理は、超音波によって発生するキャビテーションの作用に基づいています。この現象は、科学的には音響キャビテーションと呼ばれます。液体やスラリーに高出力・低周波の超音波を適用すると、音響キャビテーションが発生し、それによって局所的に非常に高い圧力と温度、最大280m/sの液体ジェットを伴うマイクロストリーミングという極端な条件が生じることがあります。超音波キャビテーションによるこれらの強力な物理的・機械的作用は、粒子表面の侵食と、粒子間の衝突による粒子の破砕を引き起こします。超音波／音響キャビテーションによるこれらの強力な力により、超音波処理は、ナノシリカ、ナノチューブ、その他のナノ材料など、ナノサイズの粒子の解凝集と分散に対して、効率と信頼性が非常に高い方法となります。

超音波で解凝集したナノシリカの粒度分布（Hielscher UP400St超音波装置を使用）。水中のAerosil 200濃度は、（a）1 wt%、（b）2 wt%、（c）5 wt%、（d）10 wt%で、異なる時間間隔での分布を示しています。
研究およびグラフ：Vikash 2020.

高固形分濃度および高粘度液体中のシリカの超音波処理

ナノ粒子の分散では、イオン結合、共有結合、水素結合、ファンデルワールス相互作用などの化学的な結合力を克服しなければならないため、低濃度でも困難が伴います。ナノシリカ粒子などのナノ粒子の濃度が増加すると、ナノ粒子間の化学的相互作用も著しく増加します。したがって、良好で長期間安定した分散結果を得るには、強力な分散技術が不可欠です。超音波分散装置は、信頼性と有効性が非常に高い分散方法として使用されており、高粘度のスラリーや、さらには固形分濃度が非常に高いペーストも容易に処理できます。ナノ粒子の固形分含有量が高いスラリーを処理できるため、超音波処理はナノ材料の分散技術として優先的に選ばれています。
Hielscherの産業用超音波装置は、ポンプで供給できる限り、スラリーやペーストを連続インライン反応器で処理できます。

シリカナノ流体の超音波製造

Modragon et al. (2012)は、 プローブ型超音波装置UP400Sを使用してシリカナノ粒子を蒸留水に分散させ、シリカナノ流体を調製しました。一定の固形分含有量（すなわち20%）で、粘度が低く、液体のように振る舞う安定したシリカナノ流体を製造するための条件は、超音波プローブによる5分間の高エネルギー処理、塩基性媒体（pH値が7より高いこと）、および塩を添加しないことです。超音波分散によって、粘度の低いナノ流体が得られました。超音波で調製したナノ流体は液体のように振る舞い、超音波処理で良好な分散が得られたことにより、固形分含有量20%のナノ流体を非常に短時間で調製できました。
「利用可能なすべての分散方法のうち、超音波プローブによる分散が最も効果的であることが確認されています。」（Modragon et al., 2012）
Petzold et al. (2009)も、Aerosil粉末の解凝集について同じ結論に達し、高度に集中したエネルギーが適用されるため、超音波プローブが最も効果的な分散システムであると判断しました。

シリカナノ粒子の解凝集と分散に使用する超音波装置

ナノシリカを産業用途、研究、材料科学で使用する際は、乾燥シリカ粉末を液相に取り込む必要があります。ナノシリカの分散には、個々のシリカ粒子を解凝集するために十分なエネルギーを与える、信頼性と有効性の高い分散技術が必要です。超音波装置は強力で信頼性の高い分散装置として広く知られており、シリカ、ナノチューブ、グラフェン、鉱物、その他多くの材料を解凝集し、液相中に均一に分散させるために使用されています。

Hielscher Ultrasonicsは、あらゆる種類の均質化および解凝集用途に対応する高性能超音波分散装置を設計、製造、販売しています。ナノ分散液の製造では、高性能な製品を得るために、精密な超音波処理制御と、ナノ粒子懸濁液の信頼性の高い超音波処理が不可欠です。
Hielscher Ultrasonicsの処理装置では、エネルギー投入量、超音波強度、振幅、圧力、温度、滞留時間など、すべての重要な処理パラメーターを完全に制御できます。これにより、パラメーターを最適化された条件に調整でき、その結果、ナノシリカスラリーなどの高品質なナノ分散液が得られます。
あらゆる容量／処理能力に対応： Hielscherは、超音波装置と幅広いアクセサリーを提供しています。これにより、お客様の用途と生産能力に最適な超音波システムを構成できます。数ミリリットルを入れた小型バイアルから、毎時数千ガロンの大流量まで、Hielscherはお客様のプロセスに適した超音波ソリューションを提供します。
堅牢性： 当社の超音波システムは堅牢で、信頼性に優れています。Hielscherのすべての超音波装置は24/7/365の運転に対応するように製造されており、必要なメンテナンスはごくわずかです。
使いやすさ： 当社の超音波装置に搭載された洗練されたソフトウェアでは、超音波処理の設定を事前に選択して保存でき、簡単で確実な超音波処理が可能です。デジタルカラータッチディスプレイから、直感的なメニューに簡単にアクセスできます。ブラウザーによる遠隔制御により、任意のインターネットブラウザーで操作と監視を行えます。自動データ記録機能は、各超音波処理実行時のプロセスパラメーターを内蔵SDカードに保存します。
優れたエネルギー効率： 他の分散技術と比較して、Hielscherの超音波装置は、卓越したエネルギー効率と、粒度分布における優れた結果を実現します。

このグラフは、ultra-turraxと比較した際の、Hielscher UIP1000によるシリカの超音波分散の大きな優位性を示しています。超音波処理は必要なエネルギーが少なく、シリカの粒子径を大幅に小さくできます。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力の目安を示しています。