Desaglomeração ultrassônica de nanopartículas de sílica

Nanopartículas de sílica, como sílica pirogênica (por exemplo, Aerosil), são um aditivo amplamente utilizado em várias indústrias. Para obter nanosílica totalmente funcional com as características de material desejadas, as nanopartículas de sílica devem ser desaglomeradas e distribuídas como partículas dispersas simples. A desaglomeração ultrassônica provou ser uma técnica altamente eficiente e confiável para distribuir a nanosílica uniformemente como partículas dispersas únicas em uma suspensão.

nanosílica – Características e Aplicações

Sílica (SiO₂) e especialmente 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 características únicas de partículas, que são utilizadas em muitas indústrias para vários fins. Por exemplo, as propriedades exclusivas do material de SiO nanométrico₂ são aplicados com o objetivo de reforçar (nano-)compósitos, betão e outros materiais. Exemplos são revestimentos à base de nanosílica que oferecem propriedades à prova de fogo ou vidro revestido com nanosílica que ganha propriedades antirreflexo. Na indústria da construção civil, a sílica ativa (microssílica) e a nanosílica são usadas como material altamente pozolânico que é usado para melhorar a trabalhabilidade, bem como as propriedades mecânicas e de durabilidade do concreto. Quando a sílica ativa e a nanosílica são comparadas, o SiO nanoestruturado₂ A pozolana é mais ativa no estágio inicial do que a sílica ativa, pois a nanosílica oferece uma área de superfície específica e finura significativamente maiores. A maior área de superfície oferece mais locais para reagir com o concreto e contribui especificamente para uma microestrutura de concreto aprimorada, atuando como um núcleo. A permeabilidade ao gás, um indicador da durabilidade do concreto, é melhorada no concreto reforçado com nano-sílica em comparação com o concreto contendo sílica ativa tradicional.
Em biomedicina e ciências da vida, SiO₂ As nanopartículas são amplamente investigadas para diferentes aplicações, uma vez que a alta área de superfície, excelente biocompatibilidade e tamanho de poro ajustável da nanosílica oferecem uma ampla gama de novas aplicações, incluindo administração de medicamentos e teranósticos.

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

Desaglomeração ultrassônica e dispersão de nano-sílica

O princípio de funcionamento da desaglomeração e dispersão ultrassônica é baseado nos efeitos da cavitação gerada por ultrassom, cientificamente conhecida como cavitação acústica. A aplicação de ultrassom de alta potência e baixa frequência em líquidos ou lamas pode causar cavitação acústica e, portanto, condições extremas, que ocorrem localmente como pressões e temperaturas muito altas, e microfluxo com jatos de líquido de até 280m/s. Esses intensos efeitos físicos e mecânicos da cavitação ultrassônica causam erosão na superfície das partículas, bem como quebra de partículas por meio de colisão entre partículas. Essas forças intensas de cavitação ultrassônica / acústica tornam a sonicação um método altamente eficiente e confiável para a desaglomeração e dispersão de partículas nanométricas como nano-sílica, nanotubos e outros nanomateriais.

Distribuição granulométrica de nanossílica desaglomerada por ultrassom (usando o ultrassônico Hielscher UP400St) em água de (a) 1 % em peso, (b) 2 % em peso, (c) 5 % em peso e (d) 10 % em peso Aerosil 200 em diferentes intervalos de tempo.
Estudo e gráficos: Vikash 2020.

Processamento Ultrassônico de Sílica com Altas Concentrações de Sólidos e em Líquidos Viscosos

A dispersão de nanopartículas em baixas concentrações já é um desafio, pois as forças de ligação química, como ligações iônicas, ligações covalentes, ligações de hidrogênio e interações de van der Waals, devem ser superadas. Com o aumento da concentração de nanopartículas, por exemplo, partículas de nano-sílica, a interação química entre as nanopartículas também aumenta significativamente. Isso significa que uma técnica de dispersão poderosa é essencial para obter bons resultados de dispersão estáveis a longo prazo. Os dispersores ultrassônicos são usados como método de dispersão confiável e altamente eficaz, que são facilmente capazes de processar pastas com altas viscosidades e até pastas com concentrações sólidas muito altas. A capacidade de processar pastas com altas cargas sólidas de nanopartículas transforma a ultrassonografia na tecnologia de dispersão preferida para nanomateriais.
Os ultrassônicos industriais Hielscher podem processar sua pasta ou pasta em um reator contínuo em linha, desde que possa ser alimentado por meio de uma bomba.

Produção ultrassônica de nanofluidos de sílica

Modragon et al. (2012) prepararam nanofluidos de sílica preparados dispersando nanopartículas de sílica em água destilada usando o ultrassônico com sonda UP400S. Para produzir nanofluidos de sílica estáveis com um certo teor de sólidos (ou seja, 20%), com baixa viscosidade e comportamento líquido semelhante, consistem em um tratamento de alta energia com uma sonda de ultrassom por 5 minutos, meios básicos (valores de pH superiores a 7) e sem adição de sal. A dispersão ultrassônica resultou em nanofluidos com baixa viscosidade. Os nanofluidos preparados por ultrassom se comportaram como líquidos e foram preparados com 20% de carga sólida em um tempo muito curto, graças à boa dispersão alcançada com a sonicação.
"De todos os métodos de dispersão disponíveis, a dispersão com sondas ultrassônicas foi confirmada como a mais eficaz." (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) chegaram à mesma conclusão para a desaglomeração do pó de Aerosil, descobrindo que a sonda ultrassônica é o sistema de dispersão mais eficaz devido à energia altamente focada aplicada.

Ultrassônicos para Desaglomeração e Dispersão de Nanopartículas de Sílica

Quando a nano-sílica é usada em aplicações industriais, pesquisa ou ciência de materiais, o pó de sílica seca deve ser incorporado em uma fase líquida. A dispersão de nano-sílica requer uma técnica de dispersão confiável e eficaz, que aplica energia suficiente para desaglomerar as partículas de sílica individuais. Os ultrassônicos são conhecidos como dispersores poderosos e confiáveis, portanto, usados para desaglomerar e distribuir vários materiais, como sílica, nanotubos, grafeno, minerais e muitos outros materiais de forma homogênea em uma fase líquida.

A Hielscher Ultrasonics projeta, fabrica e distribui dispersores ultrassônicos de alto desempenho para qualquer tipo de aplicações de homogeneização e desaglomeração. Quando se trata da produção de nanodispersões, o controle preciso da sonicação e um tratamento ultrassônico confiável da suspensão de nanopartículas são essenciais para obter produtos de alto desempenho.
Os processadores Hielscher Ultrasonics oferecem controle total sobre todos os parâmetros de processamento importantes, como entrada de energia, intensidade ultrassônica, amplitude, pressão, temperatura e tempo de retenção. Assim, você pode ajustar os parâmetros para condições otimizadas, o que leva posteriormente a nanodispersões de alta qualidade, como pastas de nanosílica.
Para qualquer volume / capacidade: A Hielscher oferece ultrassônicos e um amplo portfólio de acessórios. Isso permite a configuração do sistema ultrassônico ideal para sua aplicação e capacidade de produção. De pequenos frascos contendo alguns mililitros a fluxos de alto volume de milhares de galões por hora, a Hielscher oferece a solução ultrassônica adequada para o seu processo.
Robustez: Nossos sistemas ultrassônicos são robustos e confiáveis. Todos os ultrasonicadores Hielscher são construídos para operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, 365 dias por ano e requerem muito pouca manutenção.
Facilidade de uso: O software elaborado de nossos dispositivos ultrassônicos permite a pré-seleção e o salvamento das configurações de sonicação para uma sonicação simples e confiável. O menu intuitivo é facilmente acessível através de um ecrã tátil digital colorido. O controle remoto do navegador permite que você opere e monitore através de qualquer navegador da Internet. A gravação automática de dados salva os parâmetros do processo de qualquer sonicação executada em um cartão SD integrado.
Excelente eficiência energética: Quando comparados a tecnologias alternativas de dispersão, os ultrassônicos Hielscher se destacam com excelente eficiência energética e resultados superiores na distribuição do tamanho das partículas.

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

A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: