Ultrasone deagglomeratie van silicananodeeltjes

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

Nanosilica – eigenschappen en toepassingen

Silica (SiO₂) en vooral silicananodeeltjes (Si-NPs) zijn gangbare additieven in veel industrieën. Silicadeeltjes op nanoschaal hebben een zeer groot oppervlak en vertonen unieke deeltjeseigenschappen, die in veel industrieën voor uiteenlopende doeleinden worden benut. Zo worden de unieke materiaaleigenschappen van SiO₂ op nanoschaal benut om (nano)composieten, beton en andere materialen te versterken. Voorbeelden zijn coatings op basis van nanosilica die brandwerende eigenschappen bieden, of glas met een coating van nanosilica dat daardoor antireflecterende eigenschappen krijgt. In de bouwsector worden silicafume (microsilica) en nanosilica gebruikt als sterk puzzolaan materiaal om zowel de verwerkbaarheid als de mechanische eigenschappen en de duurzaamheid van beton te verbeteren. Bij een vergelijking tussen silicafume en nanosilica is het puzzolane materiaal met nanostructuur op basis van SiO₂ in een vroeg stadium actiever dan silicafume, omdat nanosilica een aanzienlijk groter specifiek oppervlak en een grotere fijnheid biedt. Het grotere oppervlak biedt meer plaatsen voor reacties met het beton en draagt specifiek bij aan een verbeterde microstructuur van het beton door als kiem te fungeren. De gasdoorlaatbaarheid, een indicator voor de duurzaamheid van beton, wordt verbeterd in beton dat met nanosilica is versterkt ten opzichte van beton dat traditionele silicafume bevat.
In de biomedische wetenschappen en de levenswetenschappen worden nanodeeltjes van SiO₂ voor verschillende toepassingen uitgebreid onderzocht, omdat het grote oppervlak, de uitstekende biocompatibiliteit en de instelbare poriegrootte van nanosilica een breed scala aan nieuwe toepassingen mogelijk maken, waaronder geneesmiddelafgifte en theranostiek.

De grafiek toont de deeltjesgrootteverdeling van nanosilica vóór (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 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 akoestische cavitatie veroorzaken en daardoor extreme omstandigheden, die zich lokaal voordoen als zeer hoge drukken en temperaturen, en microstromingen met vloeistofstralen tot 280m/s. Deze intense fysische en mechanische effecten van ultrasone cavitatie veroorzaken erosie aan het deeltjesoppervlak en het uiteenvallen van deeltjes door onderlinge botsingen. Deze intense krachten van ultrasone / akoestische cavitatie maken sonicatie tot een zeer efficiënte en betrouwbare methode voor de deagglomeratie en dispersie van deeltjes op nanoschaal, zoals nanosilica, nanobuisjes en andere nanomaterialen.

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

Ultrasone verwerking van silica met hoge concentraties vaste stoffen en in viskeuze vloeistoffen

Het dispergeren van nanodeeltjes bij lage concentraties is al een uitdaging, omdat chemische bindingskrachten zoals ionbindingen, covalente bindingen, waterstofbruggen en van der Waals-interacties moeten worden overwonnen. Naarmate de concentratie nanodeeltjes, bijvoorbeeld nanosilicadeeltjes, toeneemt, neemt ook de chemische interactie tussen de nanodeeltjes aanzienlijk toe. Dit betekent dat een krachtige dispersietechniek essentieel is om goede dispersieresultaten te verkrijgen die langdurig stabiel blijven. Ultrasone dispergeerapparaten worden gebruikt als betrouwbare en zeer doeltreffende dispersiemethode en kunnen gemakkelijk slurries met een hoge viscositeit en zelfs pasta’s met zeer hoge concentraties vaste stoffen verwerken. De mogelijkheid om slurries met hoge gehaltes aan vaste nanodeeltjes te verwerken, maakt sonicatie tot de dispergeertechnologie bij uitstek voor nanomaterialen.
Industriële sonicatoren van Hielscher kunnen uw slurry of pasta in een continue inlinereactor verwerken, zolang deze met een pomp kan worden toegevoerd.

Ultrasone productie van silicananovloeistoffen

Modragon et al. (2012) bereidden silicananovloeistoffen door silicananodeeltjes in gedestilleerd water te dispergeren met de sonicator met sonde UP400S. Om stabiele silicananovloeistoffen met een bepaald gehalte aan vaste stoffen (d.w.z. 20%), een lage viscositeit en vloeistofachtig gedrag te produceren, zijn een behandeling met hoge energie met een ultrasone sonde gedurende 5 minuten, basische media (pH-waarden hoger dan 7) en geen toevoeging van zout nodig. De ultrasone dispersie resulteerde in nanovloeistoffen met een lage viscositeit. De ultrasoon bereide nanovloeistoffen gedroegen zich als een vloeistof en werden dankzij de goede dispersie die met sonicatie werd bereikt, binnen zeer korte tijd bereid met een gehalte aan vaste stoffen van 20%.
“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 effectieve dispersiesysteem is dankzij de sterk gerichte energie die wordt toegepast.

Sonicatoren voor de deagglomeratie en dispersie van silicananodeeltjes

Wanneer nanosilica wordt gebruikt in industriële toepassingen, onderzoek of materiaalkunde, moet het droge silicapoeder in een vloeibare fase worden opgenomen. De dispersie van nanosilica vereist een betrouwbare en effectieve dispergeertechniek die voldoende energie toepast om de afzonderlijke silicadeeltjes te deagglomereren. Sonicatoren staan bekend als krachtige en betrouwbare dispergeerapparaten en worden daarom gebruikt om verschillende materialen, zoals silica, nanobuisjes, grafeen, mineralen en vele andere materialen, te deagglomereren en homogeen in een vloeibare fase te verdelen.

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert ultrasone dispergeerapparaten met hoge prestaties voor allerlei homogenisatie- en deagglomeratietoepassingen. Bij de productie van nanodispersies zijn nauwkeurige regeling van de sonicatie en een betrouwbare ultrasone behandeling van de suspensie van nanodeeltjes essentieel om producten met hoge prestaties te verkrijgen.
De processoren van Hielscher Ultrasonics geven u volledige controle over alle belangrijke procesparameters, zoals energietoevoer, ultrasone intensiteit, amplitude, druk, temperatuur en verblijftijd. Daarmee kunt u de parameters afstemmen op geoptimaliseerde omstandigheden, wat vervolgens leidt tot hoogwaardige nanodispersies, zoals nanosilicaslurries.
Voor elk volume / elke capaciteit: Hielscher biedt sonicatoren en een breed assortiment accessoires. Daarmee kan het ideale ultrasone systeem voor uw toepassing en productiecapaciteit worden samengesteld. Van kleine monsterflesjes met enkele milliliters tot grote volumestromen van duizenden gallons per uur biedt Hielscher de geschikte ultrasone oplossing voor uw proces.
Robuustheid: Onze ultrasone systemen zijn robuust en betrouwbaar. Alle sonicatoren van Hielscher zijn gebouwd voor gebruik gedurende 24/7/365 en vereisen zeer weinig onderhoud.
Gebruiksvriendelijkheid: De geavanceerde software van onze ultrasone apparaten maakt het mogelijk sonicatie-instellingen vooraf te selecteren en op te slaan voor eenvoudige en betrouwbare sonicatie. Het intuïtieve menu is gemakkelijk toegankelijk via een digitaal kleurentouchscreen. Met de bediening op afstand via de browser kunt u het apparaat via elke internetbrowser bedienen en bewaken. Automatische gegevensregistratie slaat de procesparameters van elke sonicatiecyclus op een ingebouwde SD-kaart op.
Uitstekende energie-efficiëntie: Vergeleken met alternatieve dispersietechnologieën blinken sonicatoren van Hielscher uit door een uitzonderlijke energie-efficiëntie en superieure resultaten op het gebied van deeltjesgrootteverdeling.

De grafiek toont het aanzienlijke voordeel van ultrasone dispersie van silica met de Hielscher UIP1000 ten opzichte van een ultra-turrax. Sonicatie vereist minder energie en bereikt een drastisch kleinere deeltjesgrootte van het silica.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: