Silicananodeeltjes zoals pyrogene silica (b.v. Aerosil) zijn een veelgebruikt additief in diverse industrieën. Om volledig functionele nanosilica met de gewenste materiaaleigenschappen te verkrijgen, moeten de silicananodeeltjes worden gedeagglomereerd en als afzonderlijk verdeelde deeltjes worden gedistribueerd. Ultrasone deagglomeratie is een zeer efficiënte en betrouwbare techniek gebleken om nanosilica uniform te verdelen als afzonderlijk verdeelde deeltjes in een suspensie.

Nanosilica – Kenmerken en toepassingen

Kiezelzuur (SiO₂) en vooral siliciumdioxide-nanopartikels (Si-NP's) zijn gangbare additieven in vele industrieën. Nano-silicadeeltjes hebben een zeer groot oppervlak en unieke deeltjeseigenschappen, die in vele industrieën voor diverse doeleinden worden gebruikt. Zo zijn de unieke materiaaleigenschappen van nano-silicadeeltjes 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 antireflecterende eigenschappen krijgt. In de bouw worden silicafume (microsilica) en nanosilica gebruikt als sterk puzzolaan materiaal dat wordt gebruikt om de verwerkbaarheid en de mechanische en duurzaamheidseigenschappen van beton te verbeteren. Wanneer silicafume en nanosilica worden vergeleken, blijkt het nanogestructureerde SiO₂ pozzolan is in een vroeg stadium actiever dan silicafume omdat nanosilica een aanzienlijk groter specifiek oppervlak en een grotere fijnheid heeft. Het grotere oppervlak biedt meer plaatsen om met het beton te reageren en draagt specifiek bij tot een verbeterde microstructuur van het beton door als kern te fungeren. De gasdoorlaatbaarheid, een indicator voor de duurzaamheid van beton, is verbeterd in beton dat is versterkt met nano-silica in vergelijking met beton dat traditionele silica bevat.
In de biogeneeskunde en de biowetenschappen wordt SiO₂ nanodeeltjes worden op grote schaal onderzocht voor verschillende toepassingen, aangezien het grote oppervlak, de uitstekende biocompatibiliteit en de instelbare poriegrootte van nanosilica een groot aantal nieuwe toepassingen mogelijk maken, waaronder de toediening van geneesmiddelen en theranostics.

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

Ultrasone deagglomeratie en dispersie van nano-silica

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

Deeltjesgrootteverdeling van ultrasoon gedagglomereerd nano-siliciumdioxide (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 kiezelzuur met hoge vaste concentraties 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 moeten worden overwonnen. Met toenemende concentratie van nanodeeltjes, bijvoorbeeld nano-silicadeeltjes, neemt ook de chemische interactie tussen de nanodeeltjes aanzienlijk toe. Dit betekent dat een krachtige dispersietechniek essentieel is om goede, op lange termijn stabiele dispersieresultaten te verkrijgen. Ultrasone dispergeerders worden gebruikt als betrouwbare en zeer efficiënte dispergeermethode, die gemakkelijk slurries met hoge viscositeiten en zelfs pasta's met zeer hoge vaste stofconcentraties kunnen verwerken. Het vermogen om slurries met hoge vaste deeltjesconcentraties te verwerken maakt van ultrasoon dispergeren de dispergatietechnologie bij uitstek voor nanomaterialen.
Hielscher industriële ultrasooninstallaties kunnen uw slurry of pasta verwerken in een continue in-line reactor, zolang deze maar via een pomp kan worden gevoed.

Ultrasone productie van siliciumhoudende nanovloeistoffen

Modragon et al. (2012) bereidden siliciumdioxide-nanovloeistoffen die zijn bereid door siliciumdioxide-nanodeeltjes te dispergeren in gedestilleerd water met behulp van de sonde-type ultrasoon UP400S. Om stabiele siliciumdioxide-nanovloeistoffen te produceren met een bepaald vast gehalte (d.w.z. 20%), met een lage viscositeit en een soortgelijk vloeistofgedrag, bestaat de behandeling uit een hoge energiebehandeling met een ultrasone sonde gedurende 5 minuten, basische media (pH-waarden hoger dan 7) en geen toevoeging van zout. De ultrasone dispersie resulteerde in nanovloeistoffen met lage viscositeit. De ultrasoon bereide nanovloeistoffen gedroegen zich als vloeistoffen en werden in 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 stelden vast dat de ultrasone sonde het meest doeltreffende dispersiesysteem is door de sterk gerichte energie die wordt toegepast.

Ultrasone toestellen voor deagglomeratie en dispersie van siliciumdioxide nanodeeltjes

Wanneer nano-silica wordt gebruikt in industriële toepassingen, onderzoek of materiaalkunde, moet het droge silica poeder worden opgenomen in een vloeibare fase. Voor de dispersie van nano-silica is een betrouwbare en effectieve dispergeertechniek nodig, die voldoende energie toepast om de afzonderlijke silica deeltjes te deagglomereren. Ultrasoontoestellen 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 vloeistoffase te deagglomereren en te verdelen.

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, vervaardigt en distribueert hoogwaardige ultrasone dispergeerapparaten voor alle soorten homogenisatie- en deagglomeratietoepassingen. Bij de productie van nano-dispersies zijn nauwkeurige sonicatieregeling 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 verwerkingsparameters, zoals energie-input, ultrasoonintensiteit, amplitude, druk, temperatuur en retentietijd. Daardoor kunt u de parameters aanpassen aan optimale omstandigheden, wat vervolgens leidt tot nano-dispersie van hoge kwaliteit, zoals nanosilicaslurries.
Voor elk volume / capaciteit: Hielscher biedt ultrasoonapparaten en een breed scala aan accessoires. Dit maakt het mogelijk het ideale ultrasoon systeem voor uw toepassing en productiecapaciteit te configureren. Van kleine flesjes met enkele milliliters tot grote volumestromen van duizenden liters per uur, Hielscher biedt de geschikte ultrasoonoplossing voor uw proces.
Robuustheid: Onze ultrasoon systemen zijn robuust en betrouwbaar. Alle Hielscher ultrasooninstallaties zijn gebouwd voor 24/7/365 werking en vergen zeer weinig onderhoud.
Gebruiksvriendelijkheid: De geavanceerde software van onze ultrasone toestellen maakt het mogelijk sonicatie-instellingen vooraf te selecteren en op te slaan voor een eenvoudige en betrouwbare sonicatie. Het intuïtieve menu is gemakkelijk toegankelijk via een digitaal gekleurd touch-display. Met de browserbesturing op afstand kunt u het apparaat via elke internetbrowser bedienen en controleren. Automatische gegevensopslag slaat de procesparameters van elke sonicatierun op een ingebouwde SD-kaart op.
Uitstekende energie-efficiëntie: In vergelijking met alternatieve dispersietechnologieën blinken Hielscher ultrasooninstallaties uit door een uitstekende energie-efficiëntie en superieure resultaten bij de verdeling van de deeltjesgrootte.

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

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: