Desaglomeração ultra-sónica de nanopartículas de sílica

As nanopartículas de sílica, como a sílica pirogénica (por exemplo, Aerosil), são um aditivo amplamente utilizado em várias indústrias. A fim de obter nanosílica totalmente funcional com as caraterísticas desejadas do material, as nanopartículas de sílica devem ser desaglomeradas e distribuídas como partículas dispersas individuais. A desaglomeração ultra-sónica provou ser uma técnica altamente eficiente e fiável para distribuir uniformemente a nanosílica como partículas únicas dispersas numa suspensão.

nanosílica – Caraterísticas e aplicações

Sílica (SiO₂) e especialmente as nanopartículas de sílica (Si-NPs) são aditivos comuns em muitas indústrias. As partículas de sílica de tamanho nanométrico oferecem uma área de superfície muito grande e expressam caraterísticas únicas de partículas, que são utilizadas em muitas indústrias para vários fins. Por exemplo, as propriedades materiais únicas das nanopartículas de SiO₂ são aplicadas para reforçar (nano)compósitos, betão e outros materiais. Exemplos disso são os revestimentos à base de nanosílica que oferecem propriedades à prova de fogo ou o vidro revestido com nanosílica que ganha assim propriedades antirreflexo. Na indústria da construção civil, a sílica de fumo (microssílica) e a nanosílica são utilizadas como material altamente pozolânico para melhorar a trabalhabilidade, bem como as propriedades mecânicas e de durabilidade do betão. Quando a sílica de fumo e a nanosílica são comparadas, o SiO₂ A pozolana é mais ativa na fase inicial do que a sílica de fumo, uma vez que a nanosílica oferece uma área de superfície específica e uma finura significativamente maiores. A maior área de superfície oferece mais locais para reagir com o betão e contribui especificamente para uma melhor microestrutura do betão, actuando como um núcleo. A permeabilidade ao gás, um indicador da durabilidade do betão, é melhorada no betão reforçado com nano-sílica em comparação com o betão que contém sílica de fumo tradicional.
Na biomedicina e nas ciências da vida, o SiO₂ são amplamente investigadas para diferentes aplicações, uma vez que a elevada área de superfície, a excelente biocompatibilidade e o tamanho de poro ajustável da nanosílica oferecem uma vasta gama de novas aplicações, incluindo a administração de medicamentos e a teranóstica.

O gráfico mostra a distribuição do tamanho das partículas de nano-sílica antes (curva verde) e depois (curva vermelha) da dispersão ultra-sónica.

Desaglomeração ultra-sónica e dispersão de nano-sílica

O princípio de funcionamento da desaglomeração e dispersão por ultra-sons baseia-se nos efeitos da cavitação gerada por ultra-sons, cientificamente conhecida como cavitação acústica. A aplicação de ultra-sons de alta potência e baixa frequência em líquidos ou lamas pode provocar cavitação acústica e, por conseguinte, condições extremas, que ocorrem localmente como pressões e temperaturas muito elevadas e microstreaming com jactos de líquido até 280 m/s. Estes efeitos físicos e mecânicos intensos da cavitação ultra-sónica provocam a erosão da superfície das partículas, bem como a fragmentação das partículas através da colisão entre partículas. Estas forças intensas de cavitação ultra-sónica / acústica fazem da sonicação um método altamente eficiente e fiável para a desaglomeração e dispersão de partículas de tamanho nanométrico, tais como nano-sílica, nanotubos e outros materiais nanométricos.

Distribuição do tamanho das partículas de nano-sílica desaglomerada por ultra-sons (utilizando o ultrassom Hielscher UP400St) em água com (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt%, e (d) 10 wt% de Aerosil 200 em diferentes intervalos de tempo.
Estudo e gráficos: Vikash 2020.

Processamento ultra-sônico de sílica com altas concentrações de sólidos e em líquidos viscosos

A dispersão de nanopartículas a baixas concentrações já é um desafio, uma vez que é necessário ultrapassar as forças de ligação química, como as ligações iónicas, as ligações covalentes, as ligações de hidrogénio e as interações de van der Waals. Com o aumento da concentração de nanopartículas, por exemplo, partículas de nano-sílica, a interação química entre as nanopartículas também aumenta significativamente. Isto significa que uma técnica de dispersão poderosa é essencial para obter bons resultados de dispersão estável a longo prazo. Os dispersores ultra-sónicos são utilizados como um método de dispersão fiável e altamente eficaz, que são facilmente capazes de processar lamas com viscosidades elevadas e até pastas com concentrações de sólidos muito elevadas. A capacidade de processar pastas com elevadas cargas sólidas de nanopartículas transforma a ultra-sons na tecnologia de dispersão preferida para nanomateriais.
Os ultrassons industriais Hielscher podem processar a sua pasta ou lama num reator contínuo em linha, desde que possa ser alimentado por uma bomba.

Produção ultra-sónica de nanofluidos de sílica

Modragon et al. (2012) prepararam nanofluidos de sílica através da dispersão de nanopartículas de sílica em água destilada utilizando o método ultrassonicador tipo sonda UP400S. A fim de produzir nanofluidos de sílica estáveis com um determinado teor de sólidos (isto é, 20%), com baixa viscosidade e comportamento líquido semelhante, consiste num tratamento de alta energia com uma sonda de ultra-sons durante 5 minutos, meios básicos (valores de pH superiores a 7) e sem adição de sal. A dispersão ultra-sónica resultou em nanofluidos com baixa viscosidade. Os nanofluidos preparados por ultra-sons comportaram-se como líquido e foram preparados com 20% de carga sólida dentro de um tempo muito curto graças à boa dispersão alcançada com a sonicação.
"De todos os métodos de dispersão disponíveis, a dispersão com sondas ultra-sónicas foi confirmada como a mais eficaz." (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) chegaram à mesma conclusão para a desaglomeração do pó Aerosil, concluindo que a sonda ultra-sónica é o sistema de dispersão mais eficaz devido à energia altamente concentrada aplicada.

Ultrasonicators para desaglomeração e dispersão de nanopartículas de sílica

Quando a nano-sílica é utilizada em aplicações industriais, na investigação ou na ciência dos materiais, o pó de sílica seco deve ser incorporado numa fase líquida. A dispersão da nano-sílica requer uma técnica de dispersão fiável e eficaz, que aplique energia suficiente para desaglomerar as partículas de sílica individuais. Ultrasonicators são bem conhecidos como dispersores poderosos e confiáveis, portanto, usado para desaglomerar e distribuir vários materiais, tais como sílica, nanotubos, grafeno, minerais e muitos outros materiais homogeneamente em uma fase líquida.

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui dispersores ultra-sónicos de elevado desempenho para qualquer tipo de aplicações de homogeneização e desaglomeração. Quando se trata da produção de nano-dispersões, o controle preciso de sonicação e um tratamento ultra-sônico confiável da suspensão de nanopartículas são essenciais para obter produtos de alto desempenho.
Os processadores da Hielscher Ultrasonics dão-lhe controlo total sobre todos os parâmetros de processamento importantes, tais como entrada de energia, intensidade ultra-sónica, amplitude, pressão, temperatura e tempo de retenção. Assim, você pode ajustar os parâmetros para condições otimizadas, o que leva posteriormente a nano-dispersão de alta qualidade, como pastas de nanosílica.
Para qualquer volume / capacidade: A Hielscher oferece ultrasonicadores e uma vasta gama de acessórios. Isto permite a configuração do sistema de ultra-sons ideal para a sua aplicação e capacidade de produção. De pequenos frascos contendo alguns mililitros para fluxos de alto volume de milhares de galões por hora, Hielscher oferece a solução ultra-sônica adequada para o seu processo.
Robustez: Os nossos sistemas de ultra-sons são robustos e fiáveis. Todos os ultrassonicadores Hielscher são construídos para funcionar 24 horas por dia, 7 dias por semana, 365 dias por ano e requerem muito pouca manutenção.
Facilidade de utilização: O software elaborado dos nossos dispositivos ultra-sónicos permite a pré-seleção e a memorização das definições de sonicação para uma sonicação simples e fiável. O menu intuitivo é facilmente acessível através de um ecrã tátil digital colorido. O controlo remoto por browser permite-lhe operar e monitorizar através de qualquer browser da Internet. A gravação automática de dados guarda os parâmetros do processo de qualquer execução de sonicação num cartão SD incorporado.
Excelente eficiência energética: Quando comparados com tecnologias de dispersão alternativas, os ultrassons Hielscher destacam-se pela sua excelente eficiência energética e resultados superiores na distribuição do tamanho das partículas.

O gráfico mostra a vantagem significativa da dispersão ultra-sónica de sílica com o Hielscher UIP1000 quando comparado com um ultra-turrax. Ultrasonication requer menos energia e atinge drasticamente menor tamanho das partículas da sílica.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: