실리카 나노 입자의 초음파 응집 제거

흄드 실리카(예: 에어로실)와 같은 실리카 나노 입자는 다양한 산업 분야에서 널리 사용되는 첨가제입니다. 원하는 재료 특성을 가진 완전한 기능의 나노 실리카를 얻기 위해서는 실리카 나노 입자를 응집시켜 단일 분산 입자로 분포시켜야 합니다. 초음파 응집 제거는 나노 실리카를 현탁액에 단일 분산 입자로 균일하게 분배하는 매우 효율적이고 신뢰할 수있는 기술로 입증되었습니다.

나노 실리카 – 특성과 신청

실리카(SiO₂) 특히 실리카 나노 입자 (Si-NP)는 많은 산업 분야에서 일반적인 첨가제입니다. 나노 크기의 실리카 입자는 매우 넓은 표면적을 제공하고 고유한 입자 특성을 표현하여 많은 산업 분야에서 다양한 목적으로 활용됩니다. 예를 들어, 나노 크기의 SiO의 고유한 재료 특성₂ (나노) 복합 재료, 콘크리트 및 기타 재료를 강화하기 위해 적용됩니다. 예를 들어 내화성 특성을 제공하는 나노실리카 기반 코팅 또는 반사 방지 특성을 얻는 나노실리카로 코팅된 유리가 있습니다. 건축 및 건설 산업에서는 실리카흄(microsilica)과 나노실리카(nanosilica)가 고함량 포졸란 소재로 사용되어 콘크리트의 작업성은 물론 기계적, 내구성을 향상시키는 데 사용됩니다. 실리카흄과 나노실리카를 비교하면 나노 구조의 SiO₂ Pozzolan은 나노실리카가 훨씬 더 큰 비표면적과 섬도를 제공하기 때문에 실리카 흄보다 초기 단계에서 더 활동적입니다. 더 큰 표면적은 콘크리트와 반응할 수 있는 더 많은 부위를 제공하고 특히 핵 역할을 하여 개선된 콘크리트 미세 구조에 기여합니다. 콘크리트의 내구성을 나타내는 지표인 가스 투과성은 전통적인 실리카 흄을 함유한 콘크리트에 비해 나노 실리카로 강화된 콘크리트에서 향상됩니다.
생물 의학 및 생명 과학에서 SiO₂ 나노 입자는 나노 실리카의 높은 표면적, 우수한 생체 적합성 및 조정 가능한 기공 크기가 약물 전달 및 테라노스틱스를 포함한 광범위한 새로운 응용 분야를 제공하기 때문에 다양한 응용 분야에 대해 널리 연구되고 있습니다.

차트는 초음파 분산 전(녹색 곡선)과 후(빨간색 곡선)에 나노 실리카의 입자 크기 분포를 보여줍니다.

초음파 응집 및 나노 실리카의 분산

초음파 응집 해제 및 분산의 작동 원리는 과학적으로 음향 캐비테이션으로 알려진 초음파로 생성 된 캐비테이션의 효과를 기반으로합니다. 액체 또는 슬러리에 고출력, 저주파 초음파를 적용하면 음향 캐비테이션이 발생하여 매우 높은 압력과 온도로 국부적으로 발생하는 극한 조건과 최대 280m/s의 액체 제트를 통한 마이크로스트리밍이 발생할 수 있습니다. 초음파 캐비테이션의 이러한 강렬한 물리적, 기계적 영향은 입자 표면에서 침식을 일으키고 입자 간 충돌을 통해 입자를 산산조각냅니다. 초음파 / 음향 캐비테이션의 이러한 강렬한 힘은 초음파 처리를 나노 실리카, 나노 튜브 및 기타 나노 물질로 사용되는 나노 크기의 입자의 응집 제거 및 분산을위한 매우 효율적이고 신뢰할 수있는 방법으로 만듭니다.

초음파로 응집된 나노실리카(Hielscher UP400St 초음파 발생기 사용) (a) 1 중량%, (b) 2 중량%, (c) 5 중량% 및 (d) 10 중량% 에어로실 200의 물에서, 상이한 시간 간격으로 투여한다.
연구 및 그래프: Vikash 2020.

고체 농도와 점성 액체의 실리카의 초음파 처리

나노 입자를 낮은 농도로 분산시키는 것은 이온 결합, 공유 결합, 수소 결합 및 반 데르 발스 상호 작용과 같은 화학적 결합력을 극복해야 하기 때문에 이미 어려운 일입니다. 나노 입자, 예를 들어 나노 실리카 입자의 농도가 증가함에 따라 나노 입자 간의 화학적 상호 작용도 크게 증가합니다. 이는 장기적으로 안정적인 우수한 분산 결과를 얻기 위해 강력한 분산 기술이 필수적임을 의미합니다. 초음파 분산기는 신뢰할 수 있고 효율이 높은 분산 방법으로 사용되며, 점도가 높은 슬러리와 고체 농도가 매우 높은 페이스트를 쉽게 처리 할 수 있습니다. 나노 입자의 고형분이 높은 슬러리를 처리 할 수있는 능력은 초음파를 나노 물질에 선호되는 분산 기술로 바꿉니다.
Hielscher 산업용 초음파 발생기는 펌프를 통해 공급 할 수있는 한 연속 인라인 반응기에서 슬러리 또는 페이스트를 처리 할 수 있습니다.

실리카 나노 유체의 초음파 생산

Modragon et al. (2012)는 실리카 나노 입자를 증류수에 분산시켜 제조 한 실리카 나노 유체를 제조했습니다. 프로브 형 초음파기 UP400S. 특정 고형분 함량 (즉, 20 %)을 가진 안정적인 실리카 나노 유체를 생산하기 위해 점도가 낮고 액체와 유사한 거동을 가지며 초음파 프로브를 5 분 동안 고에너지 처리하고 염기성 매체 (pH 값이 7보다 높음) 및 염 첨가없이 구성됩니다. 초음파 분산으로 인해 점도가 낮은 나노 유체가 생성되었습니다. 초음파로 제조 된 나노 유체는 액체처럼 행동했으며 초음파 처리로 달성 된 우수한 분산 덕분에 매우 짧은 시간 내에 고체 부하의 20 %로 준비되었습니다.
"사용 가능한 모든 분산 방법 중에서 초음파 프로브를 사용한 분산이 가장 효과적인 방법으로 확인되었습니다." (Modragon 외, 2012)
Petzold et al. (2009)은 에어로실 분말의 응집 제거에 대해 동일한 결론에 도달하여 초음파 프로브가 고도로 집중된 에너지가 적용되기 때문에 가장 효과적인 분산 시스템임을 발견했습니다.

실리카 나노 입자의 탈응집 및 분산을위한 초음파기

나노 실리카가 산업 응용 분야, 연구 또는 재료 과학에 사용되는 경우 건조 실리카 분말을 액상에 통합해야 합니다. 나노 실리카 분산에는 단일 실리카 입자를 응집체화하기에 충분한 에너지를 적용하는 신뢰할 수 있고 효과적인 분산 기술이 필요합니다. 초음파기는 강력하고 신뢰할 수있는 분산기로 잘 알려져 있으므로 실리카, 나노 튜브, 그래 핀, 광물 및 기타 여러 물질과 같은 다양한 물질을 액체 상으로 균질하게 응집하고 분배하는 데 사용됩니다.

Hielscher 초음파는 모든 종류의 균질화 및 응집 제거 응용 분야를위한 고성능 초음파 분산기를 설계, 제조 및 유통합니다. 나노 분산액의 생산에 관해서는 고성능 제품을 얻기 위해 정확한 초음파 처리 제어와 나노 입자 현탁액의 신뢰할 수있는 초음파 처리가 필수적입니다.
Hielscher 초음파의 프로세서는 에너지 입력, 초음파 강도, 진폭, 압력, 온도 및 머무름 시간과 같은 모든 중요한 처리 매개 변수를 완벽하게 제어 할 수 있습니다. 이를 통해 파라미터를 최적화된 조건으로 조정할 수 있으며, 이는 나노실리카 슬러리와 같은 고품질 나노 분산으로 이어집니다.
모든 볼륨/용량의 경우: Hielscher는 초음파와 광범위한 액세서리 포트폴리오를 제공합니다. 이를 통해 응용 분야와 생산 능력에 이상적인 초음파 시스템을 구성 할 수 있습니다. 몇 밀리리터를 포함하는 작은 바이알에서 시간당 수천 갤런의 대용량 스트림에 이르기까지 Hielscher는 공정에 적합한 초음파 솔루션을 제공합니다.
견고성: 당사의 초음파 시스템은 견고하고 신뢰할 수 있습니다. 모든 Hielscher 초음파는 24 / 7 / 365 작동을 위해 제작되었으며 유지 보수가 거의 필요하지 않습니다.
사용자 친화성: 우리의 초음파 장치의 정교한 소프트웨어를 사용하면 간단하고 신뢰할 수있는 초음파 처리를 위해 초음파 처리 설정을 미리 선택하고 저장할 수 있습니다. 직관적인 메뉴는 디지털 컬러 터치 디스플레이를 통해 쉽게 액세스할 수 있습니다. 원격 브라우저 제어를 사용하면 모든 인터넷 브라우저를 통해 작동 및 모니터링할 수 있습니다. 자동 데이터 기록은 내장 SD 카드에서 실행되는 모든 초음파 처리의 프로세스 매개 변수를 저장합니다.
우수한 에너지 효율: 대체 분산 기술과 비교할 때 Hielscher 초음파는 입자 크기 분포에서 뛰어난 에너지 효율성과 우수한 결과를 제공합니다.

차트는 ultra-turrax와 비교할 때 Hielscher UIP1000를 사용한 실리카의 초음파 분산의 중요한 이점을 보여줍니다. 초음파는 더 적은 에너지를 필요로하고 실리카의 입자 크기를 크게 줄입니다.

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.