Silīcija dioksīda nanodaļiņu deaglomerācija ar ultraskaņu

Silīcija dioksīda nanodaļiņas, piemēram, pirogēnais silīcija dioksīds (piem., Aerosil), ir plaši izmantota piedeva dažādās rūpniecības nozarēs. Lai iegūtu pilnībā funkcionālu nanosilīcija dioksīdu ar vēlamajām materiāla īpašībām, silīcija dioksīda nanodaļiņas ir jādeaglomerē un jāizkliedē atsevišķu daļiņu veidā. Ir pierādīts, ka deaglomerācija ar ultraskaņu ir ļoti efektīva un uzticama metode nanosilīcija dioksīda vienmērīgai izkliedēšanai suspensijā atsevišķu daļiņu veidā.

Nanosilīcija dioksīds – raksturlielumi un lietojumi

Silīcija dioksīds (SiO₂) un jo īpaši silīcija dioksīda nanodaļiņas (Si-NPs) ir izplatītas piedevas daudzās rūpniecības nozarēs. Nanometriska izmēra silīcija dioksīda daļiņām ir ļoti liels virsmas laukums un unikālas daļiņu īpašības, ko daudzās rūpniecības nozarēs izmanto dažādiem mērķiem. Piemēram, nanometriska izmēra SiO₂ unikālās materiāla īpašības izmanto (nano)kompozītu, betona un citu materiālu stiprināšanai. Piemēri ir pārklājumi uz nanosilīcija dioksīda bāzes, kas nodrošina ugunsizturību, vai ar nanosilīcija dioksīdu pārklāts stikls, kas tādējādi iegūst pretatstarošanas īpašības. Būvniecības nozarē silīcija dioksīda mikropulveri (mikrosilīciju) un nanosilīcija dioksīdu izmanto kā materiālus ar augstu pucolānisko aktivitāti, lai uzlabotu betona iestrādājamību, kā arī tā mehāniskās īpašības un ilgizturību. Salīdzinot silīcija dioksīda mikropulveri un nanosilīcija dioksīdu, nanostrukturētais SiO₂ pucolāns agrīnā stadijā ir aktīvāks nekā silīcija dioksīda mikropulveris, jo nanosilīcija dioksīdam ir ievērojami lielāks īpatnējās virsmas laukums un smalkums. Lielāks virsmas laukums nodrošina vairāk vietu reakcijām ar betonu un, darbojoties kā kodols, īpaši veicina betona mikrostruktūras uzlabošanos. Gāzu caurlaidība, kas ir betona ilgizturības rādītājs, ar nanosilīcija dioksīdu stiprinātā betonā ir uzlabota salīdzinājumā ar betonu, kas satur tradicionālo silīcija dioksīda mikropulveri.
Biomedicīnā un dzīvības zinātnēs SiO₂ nanodaļiņas tiek plaši pētītas dažādiem lietojumiem, jo nanosilīcija dioksīda lielais virsmas laukums, izcilā biosaderība un regulējamais poru izmērs nodrošina plašu jaunu lietojumu klāstu, tostarp zāļu piegādi un teranostiku.

Diagrammā parādīts nanosilīcija dioksīda daļiņu izmēru sadalījums pirms disperģēšanas ar ultraskaņu (zaļā līkne) un pēc tās (sarkanā līkne).

Nanosilīcija dioksīda deaglomerācija un disperģēšana ar ultraskaņu

Deaglomerācijas un disperģēšanas ar ultraskaņu darbības princips ir balstīts uz ultraskaņas radītas kavitācijas iedarbību; zinātniski to dēvē par akustisko kavitāciju. Lielas jaudas zemfrekvences ultraskaņas izmantošana šķidrumos vai suspensijās var izraisīt akustisko kavitāciju un tādējādi radīt ekstremālus apstākļus, kas lokāli izpaužas kā ļoti augsts spiediens un temperatūra, kā arī mikroplūsmas ar šķidruma strūklām, kuru ātrums sasniedz līdz 280m/s. Šī intensīvā ultraskaņas kavitācijas fizikālā un mehāniskā iedarbība izraisa daļiņu virsmas eroziju, kā arī daļiņu sašķelšanos to savstarpējo sadursmju rezultātā. Šie intensīvie ultraskaņas / akustiskās kavitācijas spēki padara apstrādi ar ultraskaņu par ļoti efektīvu un uzticamu metodi nanometriska izmēra daļiņu, piemēram, nanosilīcija dioksīda, nanocaurulīšu un citu nanomateriālu, deaglomerācijai un disperģēšanai.

Ar ultraskaņu deaglomerēta nanosilīcija dioksīda daļiņu izmēru sadalījums (izmantojot Hielscher UP400St ultraskaņas apstrādes ierīci) ūdenī pie Aerosil 200 koncentrācijas (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% un (d) 10 wt% dažādos laika intervālos.
Pētījums un grafiki: Vikash 2020.

Silīcija dioksīda apstrāde ar ultraskaņu pie augstas cietvielu koncentrācijas un viskozos šķidrumos

Nanodaļiņu disperģēšana jau zemās koncentrācijās ir sarežģīta, jo jāpārvar ķīmiskās saistīšanās spēki, piemēram, jonu saites, kovalentās saites, ūdeņraža saites un van der Vālsa mijiedarbība. Palielinoties nanodaļiņu, piemēram, silīcija dioksīda nanodaļiņu, koncentrācijai, ievērojami pastiprinās arī ķīmiskā mijiedarbība starp nanodaļiņām. Tas nozīmē, ka labu un ilgstoši stabilu disperģēšanas rezultātu iegūšanai ir nepieciešama jaudīga disperģēšanas tehnoloģija. Ultraskaņas disperģētājus izmanto kā uzticamu un ļoti efektīvu disperģēšanas metodi, ar kuru var viegli apstrādāt augstas viskozitātes suspensijas un pat pastas ar ļoti augstu cietvielu koncentrāciju. Spēja apstrādāt suspensijas ar augstu cieto nanodaļiņu saturu padara apstrādi ar ultraskaņu par vēlamo nanomateriālu disperģēšanas tehnoloģiju.
Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas iekārtas var apstrādāt jūsu suspensiju vai pastu nepārtrauktas darbības plūsmas reaktorā, ja vien to var padot ar sūkni.

Silīcija dioksīda nanošķidrumu iegūšana ar ultraskaņu

Modragon un līdzautori (2012) sagatavoja silīcija dioksīda nanošķidrumus, disperģējot silīcija dioksīda nanodaļiņas destilētā ūdenī, izmantojot zondes tipa ultraskaņas iekārtu UP400S. Lai iegūtu stabilus silīcija dioksīda nanošķidrumus ar noteiktu cietvielu saturu (t. i., 20%), zemu viskozitāti un šķidrumam raksturīgu uzvedību, ir nepieciešama 5 minūšu ilga apstrāde ar ultraskaņas zondi, pievadot lielu enerģijas daudzumu, bāziska vide (pH vērtības virs 7) un sāls nepievienošana. Disperģējot ar ultraskaņu, tika iegūti nanošķidrumi ar zemu viskozitāti. Ar ultraskaņu sagatavotajiem nanošķidrumiem bija šķidrumam raksturīga uzvedība, un tos ar 20% cietvielu saturu sagatavoja ļoti īsā laikā, pateicoties labai dispersijai, kas tika panākta ar apstrādi ar ultraskaņu.
“No visām pieejamajām disperģēšanas metodēm disperģēšana ar ultraskaņas zondēm ir apstiprināta kā visefektīvākā.“ (Modragon un līdzautori, 2012)
Petzold un līdzautori (2009) nonāca pie tāda paša secinājuma attiecībā uz Aerosil pulvera deaglomerāciju, konstatējot, ka ultraskaņas zonde ir visefektīvākā disperģēšanas sistēma, jo pievadītā enerģija ir ļoti koncentrēta.

Ultraskaņas iekārtas silīcija dioksīda nanodaļiņu deaglomerācijai un disperģēšanai

Ja silīcija dioksīda nanodaļiņas izmanto rūpniecībā, pētniecībā vai materiālzinātnē, sausais silīcija dioksīda pulveris ir jāievada šķidrajā fāzē. Silīcija dioksīda nanodaļiņu disperģēšanai ir nepieciešama uzticama un efektīva disperģēšanas tehnoloģija, kas pievada pietiekami daudz enerģijas, lai deaglomerētu atsevišķās silīcija dioksīda daļiņas. Ultraskaņas iekārtas ir labi pazīstamas kā jaudīgi un uzticami disperģētāji, tādēļ tās izmanto dažādu materiālu, piemēram, silīcija dioksīda, nanocaurulīšu, grafēna, minerālu un daudzu citu materiālu, deaglomerācijai un vienmērīgai izkliedēšanai šķidrajā fāzē.

Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata augstas veiktspējas ultraskaņas disperģētājus visu veidu homogenizācijas un deaglomerācijas lietojumiem. Nanodispersiju ražošanā precīza apstrādes ar ultraskaņu vadība un uzticama nanodaļiņu suspensijas apstrāde ar ultraskaņu ir būtiska, lai iegūtu augstas veiktspējas produktus.
Hielscher Ultrasonics apstrādes iekārtas nodrošina pilnīgu kontroli pār visiem svarīgajiem apstrādes parametriem, piemēram, pievadīto enerģiju, ultraskaņas intensitāti, amplitūdu, spiedienu, temperatūru un uzturēšanās laiku. Tādējādi parametrus var pielāgot optimizētiem apstākļiem, kas savukārt ļauj iegūt augstas kvalitātes nanodispersijas, piemēram, silīcija dioksīda nanodaļiņu suspensijas.
Jebkuram tilpumam / ražošanas jaudai: Hielscher piedāvā ultraskaņas iekārtas un plašu piederumu klāstu. Tas ļauj konfigurēt ideālu ultraskaņas sistēmu jūsu lietojumam un ražošanas jaudai. No maziem flakoniem, kas satur dažus mililitrus, līdz liela apjoma plūsmām ar tūkstošiem galonu stundā – Hielscher piedāvā jūsu procesam piemērotu ultraskaņas risinājumu.
Izturība: Mūsu ultraskaņas sistēmas ir izturīgas un uzticamas. Visas Hielscher ultraskaņas iekārtas ir konstruētas darbībai 24/7/365, un tām nepieciešama ļoti neliela apkope.
Lietošanas ērtums: Mūsu ultraskaņas ierīču pārdomātā programmatūra ļauj iepriekš atlasīt un saglabāt apstrādes ar ultraskaņu iestatījumus, nodrošinot vienkāršu un uzticamu apstrādi. Intuitīvā izvēlne ir viegli pieejama digitālā krāsu skārienekrānā. Attālinātā vadība pārlūkprogrammā ļauj vadīt un uzraudzīt ierīci, izmantojot jebkuru interneta pārlūkprogrammu. Automātiskā datu reģistrēšana saglabā katra ultraskaņas apstrādes cikla procesa parametrus iebūvētajā SD kartē.
Izcila energoefektivitāte: Salīdzinājumā ar alternatīvām disperģēšanas tehnoloģijām Hielscher ultraskaņas ierīces izceļas ar izcilu energoefektivitāti un labākiem daļiņu izmēru sadalījuma rezultātiem.

Diagramma parāda būtiskās priekšrocības, ko sniedz silīcija dioksīda disperģēšana ar ultraskaņu, izmantojot Hielscher UIP1000, salīdzinājumā ar ultra-turrax. Apstrādei ar ultraskaņu nepieciešams mazāk enerģijas, un tā ļauj iegūt krasi mazāku silīcija dioksīda daļiņu izmēru.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu: