シリカナノ粒子の超音波凝集除去

ヒュームドシリカ（例えばAerosil）のようなシリカナノ粒子は、様々な産業で広く使用されている添加剤である。所望の材料特性を有する完全に機能的なナノシリカを得るためには、シリカナノ粒子を脱凝集させ、単一分散粒子として分散させる必要がある。超音波脱凝集は、ナノシリカを懸濁液中で単一分散粒子として均一に分散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る。

ナノシリカ – 特徴と応用

シリカ（SiO₂)、特にシリカナノ粒子(Si-NPs)は、多くの産業において一般的な添加剤である。ナノサイズのシリカ粒子は、非常に大きな表面積を提供し、ユニークな粒子特性を表現する。例えば、ナノサイズのSiO₂ ナノ）複合材料やコンクリートなどの補強に応用されている。例えば、ナノシリカベースのコーティングは耐火性を提供し、ナノシリカでコーティングされたガラスは反射防止特性を得ることができる。建築・建設業界では、シリカフューム（マイクロシリカ）やナノシリカは、コンクリートの作業性や機械的特性、耐久性を高めるために使用される高ポゾラン材料として使用されている。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 ナノシリカは比表面積と細粒度が著しく大きいため、ポゾランはシリカフュームよりも初期段階でより活性化する。大きな表面積は、コンクリートと反応する部位を増やし、核となってコンクリートの微細構造の改善に特に寄与する。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、ナノシリカで補強されたコンクリートでは改善される。
生物医学と生命科学では、SiO₂ ナノシリカの高い表面積、優れた生体適合性、調整可能な細孔径は、薬物送達やセラノスティックスを含む幅広い新規用途を提供するためである。

グラフは、超音波分散前（緑の曲線）と分散後（赤の曲線）のナノシリカの粒度分布を示す。

ナノシリカの超音波脱凝集と分散

超音波による脱凝集と分散の原理は、科学的に音響キャビテーションとして知られる、超音波によって発生するキャビテーションの効果に基づいています。液体またはスラリー中に高出力、低周波数の超音波を印加すると、音響キャビテーションが発生し、局所的に非常に高い圧力と温度、最大280m/sの液体ジェットによるマイクロストリーミングなどの極限状態が発生します。このような超音波キャビテーションの強烈な物理的・機械的作用は、粒子表面の浸食や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、その他のナノ材料のようなナノサイズ粒子の凝集除去および分散に非常に効率的で信頼性の高い方法となります。

超音波脱凝集したナノシリカの粒度分布(Hielscher UP400St超音波発生装置を使用して)を、(a)1 wt%、(b)2 wt%、(c)5 wt%、(d)10 wt%のAerosil 200の水中で、異なる時間間隔で測定した。
研究とグラフヴィカッシュ2020

高固形分濃度および粘性液体中のシリカの超音波処理

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のような化学結合力を克服しなければならないため、低濃度でナノ粒子を分散させることはすでに困難である。ナノ粒子、例えばナノシリカ粒子の濃度が高くなると、ナノ粒子間の化学的相互作用も著しく増大する。このことは、長期的に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あることを意味する。超音波分散機は、高粘度のスラリーや固形分濃度が非常に高いペーストも容易に処理できる、信頼性が高く効率の高い分散方法として使用されています。ナノ粒子の固形分濃度が高いスラリーを処理できることから、超音波分散はナノ材料の分散技術として好まれるようになりました。
Hielscher 工業用超音波処理装置は、ポンプで供給できるものであれば、連続インラインリアクターでスラリーやペーストを処理することができます。

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たシリカナノ流体を調製した。 プローブ式超音波発生装置 UP400S.ある固形分（20％）を含み、粘度が低く、液体のような挙動をする安定したシリカナノ流体を製造するために、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値は7以上）、塩の無添加で構成されている。超音波分散により、低粘度のナノ流体が得られた。超音波処理により調製されたナノ流体は液体のように挙動し、超音波処理により良好な分散が達成されたため、非常に短時間で20%の固体を担持したナノ流体を調製することができた。
"あらゆる分散法の中で、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る。"(Modragon et al., 2012)
Petzoldら(2009)は、Aerosil粉末の脱凝集に関しても同じ結論に達し、超音波プローブが最も効果的な分散システムであることを発見した。

シリカナノ粒子の脱凝集と分散のための超音波発生装置

ナノシリカを工業用途、研究、材料科学に使用する場合、乾燥シリカ粉末を液相に取り込まなければなりません。ナノシリカの分散には、単一シリカ粒子を脱凝集させるのに十分なエネルギーを与える、信頼性が高く効果的な分散技術が必要です。超音波分散機は、強力で信頼性の高い分散機としてよく知られており、シリカ、ナノチューブ、グラフェン、鉱物、その他多くの材料の凝集を解き、液相に均質に分散させるために使用されます。

Hielscher Ultrasonics社は、あらゆる種類の均質化・脱凝集アプリケーション用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おいて、高性能な製品を得るためには、正確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のプロセッサーは、エネルギー入力、超音波強度、振幅、圧力、温度、保持時間など、すべての重要な処理パラメータを完全に制御することができます。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、ナノシリカスラリーなどの高品質ナノ分散につながります。
どのような容量でも： Hielscher社は、超音波発生装置と幅広いアクセサリーの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を構成することができます。数ミリリットルの小さなバイアルから、1時間当たり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があります。Hielscherの超音波装置はすべて、24時間365日稼動するように設計されており、メンテナンスはほとんど必要ありません。
使い勝手の良さ： 当社の超音波装置の精巧なソフトウェアでは、超音波処理の設定を事前に選択・保存することができ、シンプルで信頼性の高い超音波処理を実現します。直感的なメニューは、デジタルカラータッチディスプレイから簡単にアクセスできます。リモートブラウザコントロールにより、どのインターネットブラウザからでも操作・監視が可能です。自動データ記録機能により、超音波処理のプロセスパラメーターが内蔵SDカードに保存されます。
優れたエネルギー効率： 他の分散技術と比較した場合、Hielscher社の超音波装置は、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。

このグラフは、ウルトラトラックスと比較した場合、Hielscher 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。超音波分散は、より少ないエネルギーで、シリカの粒子径を飛躍的に小さくすることができます。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：