Ultrasone deagglomeratie van silicanopartikels

Silicananodeeltjes zoals pyrogeen kiezelzuur (bv. Aerosil) zijn een veelgebruikt additief in verschillende industrieën. Om volledig functioneel nanosilica met de gewenste materiaaleigenschappen te verkrijgen, moeten de silicananodeeltjes worden gedeagglomereerd en verdeeld als enkelvoudige gedispergeerde deeltjes. Ultrasone deagglomeratie is een zeer efficiënte en betrouwbare techniek gebleken om nanosilica gelijkmatig als enkelvoudig gedispergeerde deeltjes in een suspensie te verdelen.

nanosilica – Kenmerken en toepassingen

Siliciumdioxide (SiO₂) en vooral silicanopartikels (Si-NP's) zijn veelgebruikte additieven in veel industrieën. Nanoformaat silicadeeltjes hebben een zeer groot oppervlak en unieke deeltjeskenmerken, die in veel industrieën voor verschillende doeleinden worden gebruikt. De unieke materiaaleigenschappen van nanoformaat SiO₂ worden toegepast om (nano-)composieten, beton en andere materialen te versterken. Voorbeelden zijn coatings op basis van nanosilica die brandwerende eigenschappen bieden of glas gecoat met nanosilica dat daardoor antireflectieve eigenschappen krijgt. In de bouw worden silica fume (microsilica) en nanosilica gebruikt als hoog puzzolaan materiaal dat gebruikt wordt om de verwerkbaarheid en mechanische en duurzaamheidseigenschappen van beton te verbeteren. Als silicaume en nanosilica met elkaar vergeleken worden, blijkt dat de nanogestructureerde SiO₂ In een vroeg stadium is puzzolaan actiever dan silicaume omdat nanosilica een aanzienlijk groter specifiek oppervlak en fijnheid heeft. Het grotere oppervlak biedt meer plaatsen om met het beton te reageren en draagt specifiek bij aan een verbeterde betonmicrostructuur door als een kern te fungeren. De gasdoorlaatbaarheid, een indicator voor de duurzaamheid van beton, is verbeterd in beton dat versterkt is met nanosilica in vergelijking met beton dat traditionele silica bevat.
In de biogeneeskunde en biowetenschappen wordt SiO₂ Nanodeeltjes worden op grote schaal onderzocht voor verschillende toepassingen, omdat het hoge oppervlak, de uitstekende biocompatibiliteit en de afstembare poriegrootte van nanosilica een breed scala aan nieuwe toepassingen biedt, waaronder de toediening van medicijnen en theranostiek.

De grafiek toont de deeltjesgrootteverdeling van nano-silica voor (groene curve) en na (rode curve) ultrasone dispersie.

Ultrasone deagglomeratie en dispersie van nanosilica

Het werkingsprincipe van ultrasone deagglomeratie en dispersie is gebaseerd op de effecten van ultrasoon gegenereerde cavitatie, wetenschappelijk bekend als akoestische cavitatie. De toepassing van ultrasoon geluid met een hoog vermogen en een lage frequentie in vloeistoffen of slurries kan akoestische cavitatie en daardoor extreme omstandigheden veroorzaken, die plaatselijk voorkomen als zeer hoge drukken en temperaturen en microstromingen met vloeistofstralen tot 280 m/s. Deze intense fysische en mechanische effecten van ultrasone cavitatie veroorzaken erosie aan het deeltjesoppervlak en versplintering van de deeltjes door botsingen tussen de deeltjes. Deze intense krachten van ultrasone/akoestische cavitatie maken van sonicatie een zeer efficiënte en betrouwbare methode voor de deagglomeratie en dispersie van nanodeeltjes zoals nano-silica, nanobuizen en andere nanomaterialen.

Deeltjesgrootteverdeling van ultrasoon gedeagglomereerd nanosilica (met de Hielscher UP400St ultrasoonmachine) in water van (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% en (d) 10 wt% Aerosil 200 met verschillende tijdsintervallen.
Studie en grafieken: Vikash 2020.

Ultrasone verwerking van siliciumdioxide met hoge vaste stofconcentraties en in viskeuze vloeistoffen

Het dispergeren van nanodeeltjes bij lage concentraties is al een uitdaging omdat chemische bindingskrachten zoals ionische bindingen, covalente bindingen, waterstofbruggen en van der Waals interacties overwonnen moeten worden. Met toenemende concentraties van nanodeeltjes, bijvoorbeeld nano-silicadeeltjes, neemt ook de chemische interactie tussen de nanodeeltjes aanzienlijk toe. Dit betekent dat een krachtige dispergeertechniek essentieel is om goede, langdurige stabiele dispersieresultaten te verkrijgen. Ultrasone dispergeerders worden gebruikt als betrouwbare en zeer efficiënte dispersiemethode, die gemakkelijk slurries met hoge viscositeit en zelfs pasta's met zeer hoge vaste stofconcentraties kunnen verwerken. Het vermogen om slurries met hoge vaste ladingen nanodeeltjes te verwerken, maakt ultrasone dispersie tot de dispergeertechnologie bij uitstek voor nanomaterialen.
Hielscher industriële ultrasone machines kunnen uw slurry of pasta verwerken in een continue in-line reactor, zolang het via een pomp kan worden toegevoerd.

Ultrasone productie van silicium nanovloeistoffen

Modragon et al. (2012) bereidden silicanovloeistoffen door silicanopartikels te dispergeren in gedestilleerd water met behulp van de ultrasone sonde UP400S. Om stabiele silica nanovloeistoffen te produceren met een bepaalde vaste inhoud (d.w.z. 20%), met een lage viscositeit en een soort vloeibaar gedrag, bestond de behandeling uit een hoge energiebehandeling met een ultrasone sonde gedurende 5 minuten, basische media (pH-waarden hoger dan 7) en geen zouttoevoeging. De ultrasone dispersie resulteerde in nanovloeistoffen met een lage viscositeit. De ultrasoon bereide nanovloeistoffen gedroegen zich als vloeistof en werden binnen zeer korte tijd bereid met 20% vaste lading dankzij de goede dispersie die met sonicatie werd bereikt.
"Van alle beschikbare dispersiemethoden is bevestigd dat dispersie met ultrasone sondes de meest effectieve is." (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) kwamen tot dezelfde conclusie voor de deagglomeratie van Aerosil poeder en ontdekten dat de ultrasone sonde het meest effectieve dispersiesysteem is vanwege de zeer gerichte energie die wordt toegepast.

Ultrasone trilnaalden voor deagglomeratie en dispersie van silicanopartikels

Wanneer nano-silica gebruikt wordt in industriële toepassingen, onderzoek of materiaalkunde, moet het droge silicapoeder opgenomen worden in een vloeibare fase. Voor nanosilicadispersie is een betrouwbare en effectieve dispergeertechniek nodig, die voldoende energie gebruikt om de afzonderlijke silicadeeltjes te deagglomereren. Ultrasone trilmotoren staan bekend als krachtige en betrouwbare dispergeerders en worden daarom gebruikt om verschillende materialen zoals silica, nanobuisjes, grafeen, mineralen en vele andere materialen homogeen in een vloeibare fase te dispergeren en te verdelen.

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert hoogwaardige ultrasone dispergeerapparaten voor alle soorten homogenisatie- en deagglomeratietoepassingen. Bij de productie van nano-dispersies zijn een nauwkeurige sonicatiecontrole en een betrouwbare ultrasone behandeling van de nanodeeltjes-suspensie essentieel voor het verkrijgen van hoogwaardige producten.
De processoren van Hielscher Ultrasonics geven u volledige controle over alle belangrijke procesparameters, zoals energie-input, ultrasone intensiteit, amplitude, druk, temperatuur en retentietijd. Daardoor kunt u de parameters aanpassen aan geoptimaliseerde omstandigheden, wat vervolgens leidt tot hoogwaardige nano-dispersie zoals nanosilicaslurries.
Voor elk volume / capaciteit: Hielscher biedt ultrasoonapparatuur en een breed assortiment accessoires. Hierdoor kan het ideale ultrasone systeem voor uw toepassing en productiecapaciteit worden geconfigureerd. Van kleine flesjes van een paar milliliter tot grote volumestromen van duizenden liters per uur, Hielscher biedt de geschikte ultrasoonoplossing voor uw proces.
Robuustheid: Onze ultrasone systemen zijn robuust en betrouwbaar. Alle Hielscher ultrasone systemen zijn gebouwd voor 24/7/365 werking en vereisen zeer weinig onderhoud.
Gebruiksvriendelijkheid: De geavanceerde software van onze ultrasone apparaten maakt het mogelijk om vooraf sonicatie-instellingen te selecteren en op te slaan voor een eenvoudige en betrouwbare sonicatie. Het intuïtieve menu is eenvoudig toegankelijk via een digitaal gekleurd touch-display. Met de browserbediening op afstand kunt u het apparaat bedienen en controleren via elke internetbrowser. Automatische gegevensregistratie slaat de procesparameters van elke sonicatierun op een ingebouwde SD-kaart op.
Uitstekende energie-efficiëntie: In vergelijking met alternatieve dispersietechnologieën blinken Hielscher ultrasone machines uit door hun uitstekende energie-efficiëntie en superieure resultaten op het gebied van deeltjesgrootteverdeling.

De grafiek toont het significante voordeel van ultrasone dispersie van silica met de Hielscher UIP1000 in vergelijking met een ultra-turrax. Ultrasoon dispergeren vereist minder energie en bereikt drastisch kleinere deeltjesgrootte van het silica.

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: