실리카 나노입자의 초음파 해응집

흄드 실리카(예: Aerosil)와 같은 실리카 나노입자는 다양한 산업에서 널리 사용되는 첨가제입니다. 원하는 재료 특성을 지니고 기능을 온전히 발휘하는 나노실리카를 얻으려면 실리카 나노입자를 해응집하여 개별적으로 분산된 입자로 분포시켜야 합니다. 초음파 해응집은 현탁액 내에서 나노실리카를 개별적으로 분산된 입자로 균일하게 분포시키는 매우 효율적이고 신뢰할 수 있는 기법으로 입증되었습니다.

나노실리카 – 특성 및 응용

실리카(SiO₂)와 특히 실리카 나노입자(Si-NPs)는 여러 산업에서 흔히 사용되는 첨가제입니다. 나노 크기의 실리카 입자는 매우 넓은 표면적과 고유한 입자 특성을 지니며, 이러한 특성은 여러 산업에서 다양한 목적으로 활용됩니다. 예를 들어, 나노 크기 SiO₂ 고유의 재료 특성은 (나노)복합재, 콘크리트 및 기타 재료를 강화하는 데 활용됩니다. 그 예로는 내화성을 제공하는 나노실리카 기반 코팅이나 나노실리카 코팅을 통해 반사 방지 특성을 얻는 유리가 있습니다. 건축 및 건설 산업에서는 실리카 퓸(마이크로실리카)과 나노실리카를 포졸란 활성이 높은 재료로 사용하여 콘크리트의 작업성뿐 아니라 기계적 특성과 내구성을 향상시킵니다. 실리카 퓸과 나노실리카를 비교하면, 나노구조 SiO₂ 포졸란은 실리카 퓸보다 초기 활성이 더 높습니다. 이는 나노실리카의 비표면적과 분말도가 훨씬 더 크기 때문입니다. 더 넓은 표면적은 콘크리트와 반응할 수 있는 부위를 더 많이 제공하며, 핵으로 작용하여 특히 콘크리트 미세구조 개선에 기여합니다. 콘크리트의 내구성을 나타내는 지표인 기체 투과성은 기존 실리카 퓸을 함유한 콘크리트에 비해 나노실리카로 보강한 콘크리트에서 개선됩니다.
생물의학 및 생명과학 분야에서는 SiO₂ 나노입자를 다양한 용도로 활용하기 위한 연구가 널리 이루어지고 있습니다. 이는 나노실리카의 넓은 표면적, 우수한 생체적합성, 조절 가능한 기공 크기가 약물 전달과 치료진단을 비롯한 폭넓은 새로운 응용을 가능하게 하기 때문입니다.

이 그래프는 초음파 분산 전(녹색 곡선)과 후(빨간색 곡선)의 나노실리카 입도 분포를 보여 줍니다.

나노실리카의 초음파 해응집 및 분산

초음파 해응집 및 분산의 작동 원리는 초음파로 발생하는 캐비테이션의 효과에 기반하며, 이는 과학적으로 음향 캐비테이션이라고 합니다. 액체나 슬러리에 고출력 저주파 초음파를 가하면 음향 캐비테이션이 발생할 수 있으며, 이로 인해 국소적으로 매우 높은 압력과 온도, 최대 280m/s의 액체 제트를 동반한 미세유동이라는 극한 조건이 형성될 수 있습니다. 초음파 캐비테이션의 이러한 강력한 물리적·기계적 효과는 입자 표면의 침식뿐 아니라 입자 간 충돌에 의한 입자 파쇄를 일으킵니다. 초음파 / 음향 캐비테이션의 이러한 강력한 힘 덕분에 초음파 처리는 나노실리카, 나노튜브 및 기타 나노재료와 같은 나노 크기 입자의 해응집과 분산에 매우 효율적이고 신뢰할 수 있는 방법입니다.

초음파로 해응집한 나노실리카의 입도 분포(Hielscher UP400St 초음파 장치 사용): 서로 다른 시간 간격에서 측정한 (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt%, (d) 10 wt% Aerosil 200 수분산액.
연구 및 그래프: Vikash 2020.

고형분 농도가 높은 조건 및 점성 액체에서의 실리카 초음파 처리

이온 결합, 공유 결합, 수소 결합, 반데르발스 상호작용과 같은 화학적 결합력을 극복해야 하므로, 낮은 농도에서도 나노입자를 분산시키는 것은 이미 어려운 과제입니다. 나노실리카 입자와 같은 나노입자의 농도가 증가하면 나노입자 간의 화학적 상호작용도 크게 증가합니다. 따라서 우수하고 장기간 안정적인 분산 결과를 얻으려면 강력한 분산 기술이 필수적입니다. 초음파 분산기는 신뢰성이 높고 매우 효과적인 분산 수단으로 사용되며, 점도가 높은 슬러리는 물론 고형분 농도가 매우 높은 페이스트까지도 쉽게 처리할 수 있습니다. 나노입자 고형분 함량이 높은 슬러리를 처리할 수 있는 이러한 능력 덕분에 초음파 처리는 나노소재에 선호되는 분산 기술입니다.
Hielscher 산업용 초음파 처리기는 슬러리나 페이스트를 펌프로 공급할 수 있는 한 연속식 인라인 반응기에서 처리할 수 있습니다.

초음파를 이용한 실리카 나노유체 제조

Modragon 등(2012)은 증류수에 실리카 나노입자를 분산시켜 실리카 나노유체를 제조하는 데 프로브형 초음파 처리기 UP400S를 사용했습니다. 일정한 고형분 함량(즉, 20%)을 가지며 점도가 낮고 액체처럼 거동하는 안정적인 실리카 나노유체를 제조하기 위한 조건은 초음파 프로브로 5분 동안 고에너지 처리를 수행하고, 염기성 매질(pH 값이 7보다 높음)을 사용하며, 염을 첨가하지 않는 것입니다. 초음파 분산으로 점도가 낮은 나노유체가 생성되었습니다. 초음파로 제조한 나노유체는 액체처럼 거동했으며, 초음파 처리로 우수한 분산이 이루어진 덕분에 매우 짧은 시간 안에 고형분 함량 20%로 제조되었습니다.
“사용 가능한 모든 분산 방법 중에서 초음파 프로브를 이용한 분산이 가장 효과적인 방법으로 확인되었습니다.“ (Modragon 등, 2012)
Petzold 등(2009)도 Aerosil 분말의 응집 해체에 대해 같은 결론에 도달했으며, 고도로 집중된 에너지가 가해지므로 초음파 프로브가 가장 효과적인 분산 시스템임을 확인했습니다.

실리카 나노입자의 응집 해체 및 분산을 위한 초음파 처리기

나노실리카를 산업 응용, 연구 또는 재료 과학에 사용할 때는 건조 실리카 분말을 액상에 혼입해야 합니다. 나노실리카 분산에는 개별 실리카 입자의 응집을 해체하기에 충분한 에너지를 가하는, 신뢰성 있고 효과적인 분산 기술이 필요합니다. 초음파 처리기는 강력하고 신뢰성 있는 분산기로 잘 알려져 있으며, 따라서 실리카, 나노튜브, 그래핀, 광물 및 그 밖의 다양한 물질의 응집을 해체하고 액상에 균일하게 분산시키는 데 사용됩니다.

Hielscher Ultrasonics는 모든 종류의 균질화 및 응집 해체 응용을 위한 고성능 초음파 분산기를 설계, 제조 및 공급합니다. 나노분산액을 제조할 때 고성능 제품을 얻으려면 정밀한 초음파 처리 제어와 나노입자 현탁액에 대한 신뢰성 있는 초음파 처리가 필수적입니다.
Hielscher Ultrasonics의 처리기는 에너지 투입량, 초음파 강도, 진폭, 압력, 온도, 체류 시간 등 모든 주요 공정 매개변수를 완전히 제어할 수 있게 해 줍니다. 이를 통해 매개변수를 최적화된 조건으로 조정할 수 있으며, 그 결과 나노실리카 슬러리와 같은 고품질 나노분산액을 얻을 수 있습니다.
모든 부피 / 처리 용량에 대응: Hielscher는 초음파 처리기와 폭넓은 액세서리 제품군을 제공합니다. 이를 통해 용도와 생산 용량에 이상적인 초음파 시스템을 구성할 수 있습니다. 몇 밀리리터가 담긴 작은 바이알부터 시간당 수천 갤런의 대용량 흐름까지, Hielscher는 공정에 적합한 초음파 솔루션을 제공합니다.
견고성: 당사의 초음파 시스템은 견고하고 신뢰성이 높습니다. 모든 Hielscher 초음파 처리기는 24/7/365 운전용으로 제작되며 유지보수가 거의 필요하지 않습니다.
사용 편의성: 당사 초음파 장치의 정교한 소프트웨어를 통해 초음파 처리 설정을 미리 선택하고 저장하여 간편하고 신뢰성 있게 초음파 처리를 수행할 수 있습니다. 디지털 컬러 터치 디스플레이에서 직관적인 메뉴에 쉽게 접근할 수 있습니다. 브라우저 원격 제어 기능으로 모든 인터넷 브라우저에서 장치를 작동하고 모니터링할 수 있습니다. 자동 데이터 기록 기능은 각 초음파 처리 실행의 공정 매개변수를 내장 SD 카드에 저장합니다.
탁월한 에너지 효율: 다른 분산 기술과 비교할 때 Hielscher 초음파 장치는 탁월한 에너지 효율과 우수한 입도 분포 결과를 제공합니다.

이 그래프는 ultra-turrax와 비교하여 Hielscher UIP1000을 이용한 실리카 초음파 분산의 상당한 이점을 보여줍니다. 초음파 처리는 더 적은 에너지를 사용하면서 실리카 입자 크기를 훨씬 더 작게 만듭니다.

아래 표는 당사 초음파 장치의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: