シリカナノ粒子の超音波解凝集

ヒュームドシリカ(Aerosilなど)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。所望の材料特性を有する完全に機能するナノシリカを得るためには、シリカナノ粒子を解凝集し、単一分散粒子として分布させる必要があります。超音波解凝集は、懸濁液中の単一分散粒子としてナノシリカを均一に分布させるための非常に効率的で信頼性の高い技術であることが証明されています。

ナノシリカ – 特性と用途

シリカ(SiO₂)や特にシリカナノ粒子(Si-NP)は、多くの産業で一般的な添加剤です。ナノサイズのシリカ粒子は、非常に大きな表面積を持ち、ユニークな粒子特性を発現するため、多くの産業でさまざまな目的で利用されています。例えば、ナノサイズのSiOのユニークな材料特性₂ は、(ナノ)複合材料、コンクリート、その他の材料を補強するために適用されます。例としては、耐火性を提供する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されたガラスにより反射防止特性が得られるものがあります。建築・建設業界では、コンクリートの施工性や機械的・耐久性を高めるための高ポゾラン材料として、シリカフューム(マイクロシリカ)やナノシリカが使用されています。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 ポッツォランは、ナノシリカが有意に大きな比表面積と細かさを提供するため、シリカフュームよりも初期段階でより活性があります。表面積が大きいほど、コンクリートと反応する場所が増え、核として機能することでコンクリートの微細構造の改善に特に貢献します。コンクリートの耐久性の指標であるガス透過性は、ナノシリカで補強されたコンクリートの方が、従来のシリカフュームを含有するコンクリートに比べて向上します。
生物医学および生命科学では、SiO₂ ナノシリカは、表面積が高く、生体適合性に優れ、細孔径を調整可能であることから、薬物送達やセラノスティクスなど、幅広い新規用途が展開されるため、ナノ粒子はさまざまな用途で広く研究されています。

このグラフは、超音波分散前(緑の曲線)と(赤の曲線)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

超音波解凝集および分散の動作原理は、科学的に音響キャビテーションとして知られている超音波生成キャビテーションの影響に基づいている。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、極限状態が発生し、これは非常に高い圧力と温度として局所的に発生し、最大280m/sの液体ジェットによるマイクロストリーミングが発生する可能性があります。超音波キャビテーションのこれらの強烈な物理的および機械的影響は、粒子表面での侵食だけでなく、粒子間衝突による粒子の粉砕を引き起こします。超音波/音響キャビテーションのこれらの強い力は、超音波処理をナノシリカ、ナノチューブおよび他のナノ材料としてナノサイズの粒子の解凝集および分散のための非常に効率的で信頼性の高い方法にする。

超音波解凝集ナノシリカ(ヒールシャーUP400St超音波装置を使用)(a)1重量%、(b)2重量%、(c)5重量%、(d)10重量%のアエロジル200の水中で、異なる時間間隔で。
研究とグラフ:Vikash 2020。

高固体濃度および粘性液体中のシリカの超音波処理

ナノ粒子を低濃度で分散させることは、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結合力を克服する必要があるため、すでに困難となっています。ナノ粒子、例えばナノシリカ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大幅に増加します。つまり、長期にわたって安定した良好な分散結果を得るためには、強力な分散技術が不可欠です。超音波分散機は、高粘度のスラリーや非常に高い固形濃度のペーストを容易に処理できる、信頼性と非常に効果的な分散方法として使用されています。ナノ粒子の高固体負荷でスラリーを処理する能力は、超音波処理をナノ材料のための好ましい分散技術に変える。
ヒールシャー工業用超音波処理器は、ポンプを介して供給できる限り、連続インライン反応器であなたのスラリーまたはペーストを処理できます。

シリカナノ流体の超音波製造

Modragonら(2012)は、シリカナノ粒子を蒸留水に分散させることにより調製したシリカナノ流体を調製しました。 プローブ型超音波装置 UP400S.特定の固形分(すなわち20%)、低粘度および液体挙動の安定したシリカナノ流体を製造するためには、超音波プローブによる5分間の高エネルギー処理、塩基性培地(pH値が7より高い)、および塩添加なしからなる。超音波分散液は、低粘度のナノ流体をもたらした。超音波で調製されたナノ流体は液体のように振る舞い、超音波処理によって達成された良好な分散のおかげで、非常に短時間で20%の固体負荷で調製された。
「利用可能なすべての分散方法の中で、超音波プローブによる分散が最も効果的な方法であることが確認されています。」(Modragon et al., 2012)
Petzoldら(2009)は、Aerosil粉末の解凝集についても同じ結論に達し、超音波プローブは、非常に集中したエネルギーが適用されるため、最も効果的な分散システムであることを発見しました。

シリカナノ粒子の解凝集と分散のための超音波装置

ナノシリカを産業用途、研究、材料科学で使用する場合、乾燥シリカ粉末を液相に組み込む必要があります。ナノシリカ分散には、単一のシリカ粒子を解凝集するのに十分なエネルギーを適用する、信頼性が高く効果的な分散技術が必要です。超音波処理装置は、強力で信頼性の高い分散器としてよく知られているため、シリカ、ナノチューブ、グラフェン、鉱物、その他多くの材料などのさまざまな材料を液相に均一に解凝集および分布するために使用されます。

ヒールシャー超音波は、あらゆる種類の均質化および解凝集用途向けの高性能超音波分散機を設計、製造、販売しています。ナノ分散液の製造に関しては、高性能製品を得るためには、精密な超音波処理制御およびナノ粒子懸濁液の信頼性の高い超音波処理が不可欠である。
ヒールシャー超音波のプロセッサは、エネルギー入力、超音波強度、振幅、圧力、温度、保持時間などのすべての重要な処理パラメータを完全に制御します。これにより、パラメータを最適な条件に調整することができ、その結果、ナノシリカスラリーなどの高品質なナノ分散が可能になります。
任意のボリューム/容量の場合: ヒールシャーは超音波装置とアクセサリーの幅広いポートフォリオを提供しています。これにより、お客様のアプリケーションと生産能力に最適な超音波システムの構成が可能になります。数ミリリットルを含む小さなバイアルから毎時数千ガロンの大量の流れまで、ヒールシャーはあなた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。
丈夫： 当社の超音波システムは堅牢で信頼性があります。すべてのヒールシャー超音波装置は、24/7/365操作用に構築されており、メンテナンスをほとんど必要としません。
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優れたエネルギー効率: 代替の分散技術と比較すると、ヒールシャー超音波装置は、優れたエネルギー効率と粒度分布の優れた結果で優れています。

このチャートは、ヒールシャー UIP1000によるシリカの超音波分散の大きな利点を示しています。超音波処理はより少ないエネルギーを必要とし、シリカの粒子サイズを大幅に小さくします。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。