Ultradźwiękowa deaglomeracja nanocząstek krzemionki

Nanocząstki krzemionki, takie jak krzemionka pirogeniczna (np. Aerosil), są powszechnie stosowanym dodatkiem w różnych gałęziach przemysłu. Aby uzyskać w pełni funkcjonalną nanokrzemionkę o pożądanych właściwościach materiałowych, nanocząstki krzemionki muszą zostać poddane deaglomeracji i rozprowadzone jako pojedyncze cząstki. Wykazano, że deaglomeracja ultradźwiękowa jest wysoce wydajną i niezawodną techniką równomiernego rozprowadzania nanokrzemionki w zawiesinie w postaci pojedynczych cząstek.

Nanokrzemionka – właściwości i zastosowania

Krzemionka (SiO₂) i szczególnie nanocząstki krzemionki (Si-NPs) są powszechnie stosowanymi dodatkami w wielu gałęziach przemysłu. Cząstki krzemionki o rozmiarach nanometrycznych mają bardzo dużą powierzchnię i wykazują wyjątkowe właściwości, które wykorzystuje się w wielu gałęziach przemysłu do różnych celów. Na przykład wyjątkowe właściwości materiałowe SiO₂ o rozmiarach nanometrycznych wykorzystuje się do wzmacniania (nano-)kompozytów, betonu i innych materiałów. Przykładami są powłoki na bazie nanokrzemionki zapewniające właściwości ognioodporne lub szkło pokryte nanokrzemionką, które dzięki temu zyskuje właściwości antyrefleksyjne. W budownictwie pył krzemionkowy (mikrokrzemionka) i nanokrzemionka są stosowane jako materiał o wysokiej aktywności pucolanowej, służący do poprawy urabialności, właściwości mechanicznych i trwałości betonu. W porównaniu z pyłem krzemionkowym nanostrukturalna pucolana SiO₂ jest bardziej aktywna we wczesnym etapie, ponieważ nanokrzemionka ma znacznie większą powierzchnię właściwą i większy stopień rozdrobnienia. Większa powierzchnia zapewnia więcej miejsc reakcji z betonem i przyczynia się w szczególności do poprawy jego mikrostruktury, działając jako zarodek. Przepuszczalność gazów, będąca wskaźnikiem trwałości betonu, ulega poprawie w betonie wzmacnianym nanokrzemionką w porównaniu z betonem zawierającym tradycyjny pył krzemionkowy.
W biomedycynie i naukach o życiu nanocząstki SiO₂ są szeroko badane pod kątem różnych zastosowań, ponieważ duża powierzchnia, doskonała biokompatybilność i możliwość regulowania wielkości porów nanokrzemionki otwierają szeroki zakres nowych zastosowań, w tym dostarczanie leków i teranostykę.

Wykres przedstawia rozkład wielkości cząstek nanokrzemionki przed dyspergowaniem ultradźwiękowym (zielona krzywa) i po nim (czerwona krzywa).

Ultradźwiękowa deaglomeracja i dyspergowanie nanokrzemionki

Zasada działania ultradźwiękowej deaglomeracji i dyspergowania opiera się na efektach kawitacji generowanej ultradźwiękami, określanej naukowo jako kawitacja akustyczna. Zastosowanie ultradźwięków o dużej mocy i niskiej częstotliwości w cieczach lub zawiesinach może wywoływać kawitację akustyczną, a tym samym ekstremalne warunki występujące lokalnie w postaci bardzo wysokich ciśnień i temperatur oraz mikroprzepływów ze strugami cieczy o prędkości do 280m/s. Te intensywne fizyczne i mechaniczne efekty kawitacji ultradźwiękowej powodują erozję powierzchni cząstek, a także ich rozbijanie wskutek zderzeń między cząstkami. Te intensywne siły kawitacji ultradźwiękowej / akustycznej sprawiają, że sonikacja jest wysoce wydajną i niezawodną metodą deaglomeracji i dyspergowania cząstek o rozmiarach nanometrycznych, takich jak nanokrzemionka, nanorurki i inne nanomateriały.

Rozkład wielkości cząstek nanokrzemionki poddanej deaglomeracji ultradźwiękowej (za pomocą sonikatora Hielscher UP400St) w wodzie przy zawartości Aerosil 200 wynoszącej (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% i (d) 10 wt%, w różnych odstępach czasu.
Badanie i wykresy: Vikash 2020.

Ultradźwiękowe przetwarzanie krzemionki przy wysokich stężeniach fazy stałej i w lepkich cieczach

Dyspergowanie nanocząstek już przy niskich stężeniach stanowi wyzwanie, ponieważ trzeba przezwyciężyć siły wiązań chemicznych, takich jak wiązania jonowe, kowalencyjne i wodorowe, oraz oddziaływania van der Waalsa. Wraz ze wzrostem stężenia nanocząstek, np. cząstek nanokrzemionki, znacznie nasilają się również oddziaływania chemiczne między nanocząstkami. Oznacza to, że do uzyskania dobrych wyników dyspergowania i długotrwałej stabilności niezbędna jest technika dyspergowania o dużej mocy. Dyspergatory ultradźwiękowe stosuje się jako niezawodną i wysoce skuteczną metodę dyspergowania, która umożliwia łatwe przetwarzanie zawiesin o dużej lepkości, a nawet past o bardzo wysokich stężeniach fazy stałej. Możliwość przetwarzania zawiesin o wysokiej zawartości nanocząstek sprawia, że sonikacja jest preferowaną technologią dyspergowania nanomateriałów.
Przemysłowe sonikatory Hielscher mogą przetwarzać zawiesinę lub pastę w reaktorze przepływowym pracującym w sposób ciągły, o ile można ją podawać za pomocą pompy.

Ultradźwiękowe wytwarzanie nanocieczy krzemionkowych

Modragon i in. (2012) przygotowali nanociecze krzemionkowe przygotowane przez dyspergowanie nanocząstek krzemionki w wodzie destylowanej za pomocą sonikatora UP400S z sonotrodą. Aby wytworzyć stabilne nanociecze krzemionkowe o określonej zawartości fazy stałej (tj. 20%), niskiej lepkości i zachowaniu typowym dla cieczy, stosuje się obróbkę wysokoenergetyczną za pomocą sonotrody przez 5 minut, środowisko zasadowe (wartości pH wyższe niż 7) i brak dodatku soli. Dyspergowanie ultradźwiękowe pozwoliło uzyskać nanociecze o niskiej lepkości. Nanociecze przygotowane ultradźwiękowo zachowywały się jak ciecz i zostały przygotowane przy zawartości fazy stałej wynoszącej 20% w bardzo krótkim czasie dzięki dobremu rozproszeniu osiągniętemu za pomocą sonikacji.
„Spośród wszystkich dostępnych metod dyspergowania potwierdzono, że dyspergowanie za pomocą sonotrod jest najskuteczniejsze”. (Modragon i in., 2012)
Petzold i in. (2009) doszli do tego samego wniosku w odniesieniu do deaglomeracji proszku Aerosil, stwierdzając, że sonotroda jest najskuteczniejszym układem dyspergującym ze względu na silnie skupioną energię.

Sonikatory do deaglomeracji i dyspergowania nanocząstek krzemionki

Gdy nanokrzemionka jest stosowana w zastosowaniach przemysłowych, badaniach lub nauce o materiałach, suchy proszek krzemionkowy musi zostać wprowadzony do fazy ciekłej. Dyspergowanie nanokrzemionki wymaga niezawodnej i skutecznej techniki dyspergowania, która dostarcza wystarczająco dużo energii do deaglomeracji poszczególnych cząstek krzemionki. Sonikatory są dobrze znane jako dyspergatory o dużej mocy i wysokiej niezawodności, dlatego stosuje się je do deaglomeracji i jednorodnego rozprowadzania w fazie ciekłej różnych materiałów, takich jak krzemionka, nanorurki, grafen, minerały i wiele innych materiałów.

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do wszelkiego rodzaju zastosowań związanych z homogenizacją i deaglomeracją. Przy wytwarzaniu nanodyspersji precyzyjna kontrola sonikacji i niezawodna obróbka ultradźwiękowa zawiesiny nanocząstek są niezbędne do uzyskania produktów o wysokich parametrach użytkowych.
Procesory Hielscher Ultrasonics zapewniają pełną kontrolę nad wszystkimi ważnymi parametrami przetwarzania, takimi jak dostarczana energia, intensywność ultradźwięków, amplituda, ciśnienie, temperatura i czas przebywania. Dzięki temu można dostosować parametry do optymalnych warunków, co następnie prowadzi do uzyskania wysokiej jakości nanodyspersji, takich jak zawiesiny nanokrzemionki.
Dla dowolnej objętości / wydajności: Hielscher oferuje sonikatory i szeroki asortyment akcesoriów. Umożliwia to skonfigurowanie idealnego systemu ultradźwiękowego do danego zastosowania i wydajności produkcyjnej. Od małych fiolek zawierających kilka mililitrów po strumienie o dużej objętości, wynoszącej tysiące galonów na godzinę, Hielscher oferuje odpowiednie rozwiązanie ultradźwiękowe do danego procesu.
Wytrzymałość: Nasze systemy ultradźwiękowe są wytrzymałe i niezawodne. Wszystkie sonikatory Hielscher są przystosowane do pracy 24/7/365 i wymagają bardzo niewielkiej konserwacji.
Łatwość obsługi: Zaawansowane oprogramowanie naszych urządzeń ultradźwiękowych umożliwia wstępny wybór i zapisywanie ustawień sonikacji, zapewniając prostą i niezawodną sonikację. Intuicyjne menu jest łatwo dostępne za pośrednictwem cyfrowego kolorowego wyświetlacza dotykowego. Zdalne sterowanie przez przeglądarkę umożliwia obsługę i monitorowanie za pomocą dowolnej przeglądarki internetowej. Automatyczna rejestracja danych zapisuje parametry procesu każdego cyklu sonikacji na wbudowanej karcie SD.
Doskonała efektywność energetyczna: W porównaniu z alternatywnymi technologiami dyspergowania sonikatory Hielscher wyróżniają się znakomitą efektywnością energetyczną i lepszymi wynikami pod względem rozkładu wielkości cząstek.

Wykres przedstawia znaczną przewagę ultradźwiękowego dyspergowania krzemionki za pomocą Hielscher UIP1000 w porównaniu z urządzeniem ultra-turrax. Sonikacja wymaga mniej energii i pozwala uzyskać radykalnie mniejsze cząstki krzemionki.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: