Desaglomeração ultrassónica de nanopartículas de sílica

As nanopartículas de sílica, como a sílica pirogénica (por exemplo, Aerosil), são um aditivo amplamente utilizado em várias indústrias. Para obter nanossílica plenamente funcional com as características pretendidas do material, as nanopartículas de sílica têm de ser desaglomeradas e distribuídas como partículas dispersas individualmente. A desaglomeração ultrassónica demonstrou ser uma técnica altamente eficiente e fiável para distribuir uniformemente a nanossílica numa suspensão como partículas dispersas individualmente.

Nanossílica – Características e aplicações

A sílica (SiO₂) e, em particular, as nanopartículas de sílica (Si-NPs) são aditivos comuns em muitas indústrias. As partículas de sílica de dimensão nanométrica oferecem uma área superficial muito elevada e apresentam características únicas, que são utilizadas em muitas indústrias para diversos fins. Por exemplo, as propriedades únicas do material SiO₂ de dimensão nanométrica são utilizadas para reforçar (nano)compósitos, betão e outros materiais. Alguns exemplos são os revestimentos à base de nanossílica que oferecem propriedades à prova de fogo ou o vidro revestido com nanossílica que adquire, assim, propriedades antirreflexo. Na indústria da construção, a sílica de fumo (microssílica) e a nanossílica são utilizadas como materiais altamente pozolânicos para melhorar a trabalhabilidade, bem como as propriedades mecânicas e de durabilidade do betão. Quando se comparam a sílica de fumo e a nanossílica, a pozolana de SiO₂ nanoestruturada é mais ativa numa fase inicial do que a sílica de fumo, uma vez que a nanossílica oferece uma área superficial específica e uma finura significativamente superiores. A maior área superficial oferece mais locais para reagir com o betão e contribui especificamente para melhorar a sua microestrutura, atuando como núcleo. A permeabilidade aos gases, um indicador da durabilidade do betão, é melhorada no betão reforçado com nanossílica em comparação com o betão que contém sílica de fumo tradicional.
Na biomedicina e nas ciências da vida, as nanopartículas de SiO₂ são amplamente investigadas para diferentes aplicações, uma vez que a elevada área superficial, a excelente biocompatibilidade e o tamanho de poro ajustável da nanossílica oferecem uma vasta gama de novas aplicações, incluindo a administração de fármacos e a teranóstica.

O gráfico mostra a distribuição do tamanho das partículas de nanossílica antes (curva verde) e após (curva vermelha) a dispersão ultrassónica.

Desaglomeração e dispersão ultrassónicas de nanossílica

O princípio de funcionamento da desaglomeração e da dispersão ultrassónicas baseia-se nos efeitos da cavitação gerada por ultrassons, cientificamente conhecida como cavitação acústica. A aplicação de ultrassons de alta potência e baixa frequência em líquidos ou suspensões pode causar cavitação acústica e, assim, condições extremas, que ocorrem localmente sob a forma de pressões e temperaturas muito elevadas e de microcorrentes com jatos de líquido de até 280m/s. Estes efeitos físicos e mecânicos intensos da cavitação ultrassónica causam erosão na superfície das partículas, bem como a sua fragmentação através de colisões entre partículas. Estas forças intensas da cavitação ultrassónica / acústica tornam a sonicação um método altamente eficiente e fiável para a desaglomeração e dispersão de partículas de dimensão nanométrica, como a nanossílica, os nanotubos e outros nanomateriais.

Distribuição do tamanho das partículas de nanossílica desaglomerada por ultrassons (utilizando o sonicador 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 ultrassónico de sílica com elevadas concentrações de sólidos e em líquidos viscosos

Dispersar nanopartículas em baixas concentrações já constitui um desafio, uma vez que é necessário superar as forças das ligações químicas, 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, de partículas de nanossílica, a interação química entre as nanopartículas também aumenta significativamente. Isto significa que uma técnica de dispersão potente é essencial para obter bons resultados de dispersão, estáveis a longo prazo. Os dispersores ultrassónicos são utilizados como método de dispersão fiável e altamente eficaz, sendo facilmente capazes de processar suspensões com viscosidades elevadas e até pastas com concentrações de sólidos muito elevadas. A capacidade de processar suspensões com elevados teores de nanopartículas sólidas torna o tratamento por ultrassons a tecnologia de dispersão preferida para nanomateriais.
Os sonicadores industriais Hielscher podem processar a sua suspensão ou pasta num reator em linha de funcionamento contínuo, desde que esta possa ser alimentada por uma bomba.

Produção ultrassónica de nanofluidos de sílica

Modragon et al. (2012) prepararam nanofluidos de sílica por dispersão de nanopartículas de sílica em água destilada utilizando o sonicador de sonda UP400S. Para produzir nanofluidos de sílica estáveis com um determinado teor de sólidos (isto é, 20%), baixa viscosidade e comportamento semelhante ao de um líquido, as condições consistem num tratamento de alta energia com uma sonda ultrassónica durante 5 minutos, meios básicos (valores de pH superiores a 7) e ausência de adição de sal. A dispersão ultrassónica resultou em nanofluidos com baixa viscosidade. Os nanofluidos preparados por ultrassons comportaram-se como líquidos e foram preparados com um teor de sólidos de 20% num período muito curto, graças à boa dispersão obtida por sonicação.
“De todos os métodos de dispersão disponíveis, a dispersão com sondas ultrassónicas foi confirmada como a mais eficaz.“ (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) chegaram à mesma conclusão quanto à desaglomeração do pó Aerosil, verificando que a sonda ultrassónica é o sistema de dispersão mais eficaz devido à energia altamente concentrada aplicada.

Sonicadores para desaglomeração e dispersão de nanopartículas de sílica

Quando a nanossílica é utilizada em aplicações industriais, investigação ou ciência dos materiais, o pó de sílica seco tem de ser incorporado numa fase líquida. A dispersão de nanossílica exige uma técnica de dispersão fiável e eficaz, que aplique energia suficiente para desaglomerar as partículas individuais de sílica. Os sonicadores são reconhecidos como dispersores potentes e fiáveis, sendo, por isso, utilizados para desaglomerar e distribuir homogeneamente numa fase líquida diversos materiais, como sílica, nanotubos, grafeno, minerais e muitos outros materiais.

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui dispersores ultrassónicos de elevado desempenho para todos os tipos de aplicações de homogeneização e desaglomeração. Na produção de nanodispersões, o controlo preciso da sonicação e um tratamento ultrassónico fiável da suspensão de nanopartículas são essenciais para obter produtos de elevado desempenho.
Os processadores da Hielscher Ultrasonics permitem-lhe controlar totalmente todos os parâmetros importantes do processamento, como a energia fornecida, a intensidade ultrassónica, a amplitude, a pressão, a temperatura e o tempo de retenção. Assim, pode ajustar os parâmetros para condições otimizadas, o que conduz subsequentemente a nanodispersões de elevada qualidade, como suspensões de nanossílica.
Para qualquer volume / capacidade: A Hielscher disponibiliza sonicadores e uma vasta gama de acessórios. Isto permite configurar o sistema ultrassónico ideal para a sua aplicação e capacidade de produção. Desde pequenos frascos que contêm alguns mililitros até fluxos de grande volume de milhares de galões por hora, a Hielscher oferece a solução ultrassónica adequada ao seu processo.
Robustez: Os nossos sistemas ultrassónicos são robustos e fiáveis. Todos os sonicadores Hielscher são construídos para funcionamento 24/7/365 e requerem muito pouca manutenção.
Facilidade de utilização: O software sofisticado dos nossos dispositivos ultrassónicos permite pré-selecionar e guardar as definições de sonicação para uma sonicação simples e fiável. O menu intuitivo é facilmente acessível através de um ecrã tátil digital a cores. O controlo remoto por navegador permite operar e monitorizar através de qualquer navegador de Internet. O registo automático de dados guarda os parâmetros do processo de qualquer operação de sonicação num cartão SD integrado.
Excelente eficiência energética: Quando comparados com tecnologias de dispersão alternativas, os sonicadores Hielscher destacam-se pela sua notável eficiência energética e pelos resultados superiores na distribuição do tamanho das partículas.

O gráfico mostra a vantagem significativa da dispersão ultrassónica de sílica com o Hielscher UIP1000 em comparação com um ultra-turrax. O tratamento por ultrassons requer menos energia e permite obter partículas de sílica de tamanho drasticamente menor.

A tabela abaixo indica a capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: