Deaglomeracja ultradźwiękowa nanocząstek krzemionki

Nanocząstki krzemionki, takie jak zmatowiona krzemionka (np. Aerosil), są szeroko stosowanym dodatkiem w różnych gałęziach przemysłu. W celu uzyskania w pełni funkcjonalnej nanokrzemionki o pożądanych właściwościach materiałowych, nanocząstki krzemionki muszą być deaglomerowane i rozprowadzane w postaci pojedynczych rozproszonych cząstek. Udowodniono, że deaglomeracja ultradźwiękowa jest wysoce wydajną i niezawodną techniką równomiernego rozprowadzania nanokrzemionki jako pojedynczo rozproszonych cząstek w zawiesinie.

nanokrzemionka – Charakterystyka i zastosowania

Krzemionka (SiO₂), a w szczególności nanocząstki krzemionki (Si-NP), są powszechnymi dodatkami w wielu gałęziach przemysłu. Nanocząstki krzemionki oferują bardzo dużą powierzchnię i wyrażają unikalne właściwości cząstek, które są wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu do różnych celów. Na przykład, unikalne właściwości materiałowe nanocząstek SiO₂ są stosowane w celu wzmocnienia (nano)kompozytów, betonu i innych materiałów. Przykładami są powłoki na bazie nanokrzemionki, które oferują właściwości ognioodporne lub szkło pokryte nanokrzemionką, które zyskuje w ten sposób właściwości antyrefleksyjne. W przemyśle budowlanym pyły krzemionkowe (mikrokrzemionka) i nanokrzemionka są stosowane jako wysoce pucolanowy materiał, który służy do poprawy urabialności, a także właściwości mechanicznych i trwałości betonu. Kiedy porównuje się pył krzemionkowy i nanokrzemionkę, nanostrukturalny SiO₂ Pucolan jest bardziej aktywny na wczesnym etapie niż pył krzemionkowy, ponieważ nanokrzemionka oferuje znacznie większą powierzchnię właściwą i rozdrobnienie. Większa powierzchnia oferuje więcej miejsc do reakcji z betonem i przyczynia się w szczególności do poprawy mikrostruktury betonu, działając jako jądro. Przepuszczalność gazu, wskaźnik trwałości betonu, jest lepsza w betonie wzmocnionym nanokrzemionką w porównaniu z betonem zawierającym tradycyjny pył krzemionkowy.
W biomedycynie i naukach przyrodniczych SiO₂ są szeroko badane pod kątem różnych zastosowań, ponieważ wysoka powierzchnia, doskonała biokompatybilność i regulowany rozmiar porów nanokrzemionki oferuje szeroki zakres nowych zastosowań, w tym dostarczanie leków i teranostykę.

Wykres przedstawia rozkład wielkości cząstek nanokrzemionki przed (zielona krzywa) i po (czerwona krzywa) dyspersji ultradźwiękowej.

Deaglomeracja ultradźwiękowa i dyspersja nanokrzemionki

Zasada działania deaglomeracji ultradźwiękowej i dyspersji opiera się na efektach kawitacji generowanej ultradźwiękowo, naukowo znanej jako kawitacja akustyczna. Zastosowanie ultradźwięków o dużej mocy i niskiej częstotliwości w cieczach lub zawiesinach może powodować kawitację akustyczną, a tym samym ekstremalne warunki, które występują lokalnie jako bardzo wysokie ciśnienia i temperatury oraz mikrostrumieniowanie strumieniami cieczy o prędkości do 280 m/s. Te intensywne efekty fizyczne i mechaniczne kawitacji ultradźwiękowej powodują erozję na powierzchni cząstek, a także rozbijanie cząstek poprzez zderzenia międzycząsteczkowe. Te intensywne siły kawitacji ultradźwiękowej / akustycznej sprawiają, że sonikacja jest wysoce wydajną i niezawodną metodą deaglomeracji i dyspersji nanocząstek, takich jak nanokrzemionka, nanorurki i inne nanomateriały.

Rozkład wielkości cząstek ultradźwiękowo deaglomerowanej nanokrzemionki (przy użyciu ultrasonografu Hielscher UP400St) w wodzie z (a) 1% wag., (b) 2% wag., (c) 5% wag. i (d) 10% wag. Aerosilu 200 w różnych odstępach czasu.
Badanie i wykresy: Vikash 2020.

Ultradźwiękowa obróbka krzemionki o wysokim stężeniu ciał stałych i lepkich cieczy

Dyspergowanie nanocząstek w niskich stężeniach jest już wyzwaniem, ponieważ należy przezwyciężyć siły wiązań chemicznych, takie jak wiązania jonowe, wiązania kowalencyjne, wiązania wodorowe i oddziaływania van der Waalsa. Wraz ze wzrostem stężenia nanocząstek, np. nanocząstek krzemionki, znacznie wzrasta również oddziaływanie chemiczne między nanocząstkami. Oznacza to, że potężna technika dyspersji jest niezbędna w celu uzyskania dobrych, długoterminowych, stabilnych wyników dyspersji. Dyspergatory ultradźwiękowe są stosowane jako niezawodna i wysoce skuteczna metoda dyspersji, która z łatwością może przetwarzać zawiesiny o wysokiej lepkości, a nawet pasty o bardzo wysokim stężeniu ciał stałych. Zdolność do przetwarzania zawiesin o dużych ładunkach stałych nanocząstek zamienia ultradźwięki w preferowaną technologię dyspergowania nanomateriałów.
Przemysłowe ultradźwięki Hielscher mogą przetwarzać zawiesinę lub pastę w ciągłym reaktorze liniowym, o ile można je podawać za pomocą pompy.

Ultradźwiękowa produkcja nanopłynów krzemionkowych

Modragon et al. (2012) przygotowali nanofluidy krzemionkowe poprzez zdyspergowanie nanocząstek krzemionki w wodzie destylowanej przy użyciu następujących metod Ultradźwiękowiec z sondą UP400S. W celu wytworzenia stabilnych nanofluidów krzemionkowych o określonej zawartości części stałych (tj. 20%), o niskiej lepkości i podobnym zachowaniu cieczy, polegają one na obróbce wysokoenergetycznej za pomocą sondy ultradźwiękowej przez 5 minut, podstawowych mediach (wartości pH wyższe niż 7) i bez dodatku soli. Dyspersja ultradźwiękowa spowodowała powstanie nanofluidów o niskiej lepkości. Ultradźwiękowo przygotowane nanofluidy zachowywały się jak ciecz i zostały przygotowane z 20% stałym obciążeniem w bardzo krótkim czasie dzięki dobrej dyspersji uzyskanej dzięki sonikacji.
"Spośród wszystkich dostępnych metod dyspersji, dyspersja za pomocą sond ultradźwiękowych została potwierdzona jako najbardziej skuteczna." (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) doszli do tego samego wniosku w przypadku deaglomeracji proszku Aerosil, stwierdzając, że sonda ultradźwiękowa jest najskuteczniejszym systemem dyspersji ze względu na zastosowaną wysoce skoncentrowaną energię.

Ultradźwięki do dezaglomeracji i dyspersji nanocząstek krzemionki

Gdy nanokrzemionka jest wykorzystywana w zastosowaniach przemysłowych, badaniach lub materiałoznawstwie, suchy proszek krzemionkowy musi zostać wprowadzony do fazy ciekłej. Dyspersja nanokrzemionki wymaga niezawodnej i skutecznej techniki dyspergowania, która stosuje wystarczającą ilość energii do deaglomeracji pojedynczych cząstek krzemionki. Ultradźwięki są dobrze znane jako potężne i niezawodne dyspergatory, dlatego są wykorzystywane do deaglomeracji i dystrybucji różnych materiałów, takich jak krzemionka, nanorurki, grafen, minerały i wiele innych materiałów jednorodnie w fazie ciekłej.

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do wszelkiego rodzaju zastosowań homogenizacji i deaglomeracji. Jeśli chodzi o produkcję nanodyspersji, precyzyjna kontrola sonikacji i niezawodna obróbka ultradźwiękowa zawiesiny nanocząstek są niezbędne w celu uzyskania produktów o wysokiej wydajności.
Procesory firmy Hielscher Ultrasonics zapewniają pełną kontrolę nad wszystkimi ważnymi parametrami przetwarzania, takimi jak energia wejściowa, intensywność ultradźwięków, amplituda, ciśnienie, temperatura i czas retencji. W ten sposób można dostosować parametry do zoptymalizowanych warunków, co prowadzi następnie do wysokiej jakości nanodyspersji, takich jak zawiesiny nanokrzemionki.
Dla dowolnej objętości / pojemności: Hielscher oferuje ultradźwięki i szeroką gamę akcesoriów. Pozwala to na skonfigurowanie idealnego systemu ultradźwiękowego dla danego zastosowania i zdolności produkcyjnej. Od małych fiolek zawierających kilka mililitrów do strumieni o dużej objętości tysięcy galonów na godzinę, Hielscher oferuje odpowiednie rozwiązanie ultradźwiękowe dla Twojego procesu.
Solidność: Nasze systemy ultradźwiękowe są solidne i niezawodne. Wszystkie ultrasonografy Hielscher są zbudowane do pracy w trybie 24/7/365 i wymagają bardzo niewielkiej konserwacji.
Przyjazność dla użytkownika: Opracowane oprogramowanie naszych urządzeń ultradźwiękowych umożliwia wstępny wybór i zapisywanie ustawień sonikacji w celu zapewnienia prostej i niezawodnej sonikacji. Intuicyjne menu jest łatwo dostępne za pośrednictwem cyfrowego kolorowego wyświetlacza dotykowego. Zdalne sterowanie przez przeglądarkę umożliwia obsługę i monitorowanie za pośrednictwem dowolnej przeglądarki internetowej. Automatyczna rejestracja danych zapisuje parametry procesu każdej sonikacji na wbudowanej karcie SD.
Doskonała wydajność energetyczna: W porównaniu z alternatywnymi technologiami dyspersji, ultradźwięki Hielscher wyróżniają się wyjątkową wydajnością energetyczną i doskonałymi wynikami w zakresie rozkładu wielkości cząstek.

Wykres pokazuje znaczącą przewagę ultradźwiękowej dyspersji krzemionki z Hielscher UIP1000 w porównaniu do ultra-turrax. Ultradźwięki wymagają mniej energii i osiągają drastycznie mniejszy rozmiar cząstek krzemionki.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: