Dezaglomerarea cu ultrasunete a nanoparticulelor de silice

Nanoparticulele de silice, precum silicea pirogenă (de ex., Aerosil), sunt un aditiv utilizat pe scară largă în diverse industrii. Pentru a obține nanosilice complet funcțională, cu caracteristicile dorite ale materialului, nanoparticulele de silice trebuie dezaglomerate și distribuite sub formă de particule dispersate individual. Dezaglomerarea cu ultrasunete s-a dovedit a fi o tehnică extrem de eficientă și fiabilă pentru distribuirea uniformă a nanosilicei sub formă de particule dispersate individual într-o suspensie.

Nanosilicea – caracteristici și aplicații

Silicea (SiO₂) și în special nanoparticulele de silice (Si-NPs) sunt aditivi uzuali în multe industrii. Particulele de silice de dimensiuni nanometrice oferă o suprafață specifică foarte mare și prezintă caracteristici unice ale particulelor, care sunt valorificate în multe industrii în diverse scopuri. De exemplu, proprietățile unice ale materialului SiO₂ de dimensiuni nanometrice sunt utilizate pentru a ranforsa (nano)compozite, betonul și alte materiale. Exemple sunt acoperirile pe bază de nanosilice care oferă proprietăți ignifuge sau sticla acoperită cu nanosilice, care dobândește astfel proprietăți antireflexie. În industria construcțiilor, fumul de silice (microsilicea) și nanosilicea sunt utilizate ca materiale cu activitate puzzolanică ridicată, folosite pentru a îmbunătăți lucrabilitatea, precum și proprietățile mecanice și de durabilitate ale betonului. Atunci când se compară fumul de silice și nanosilicea, puzzolana de SiO₂ nanostructurată este mai activă în stadiul incipient decât fumul de silice, deoarece nanosilicea oferă o suprafață specifică și o finețe semnificativ mai mari. Suprafața mai mare oferă mai multe situsuri de reacție cu betonul și contribuie în mod specific la îmbunătățirea microstructurii betonului, acționând ca nucleu. Permeabilitatea la gaze, un indicator al durabilității betonului, este îmbunătățită în betonul ranforsat cu nanosilice în comparație cu betonul care conține fum de silice tradițional.
În biomedicină și științele vieții, nanoparticulele de SiO₂ sunt investigate pe larg pentru diferite aplicații, deoarece suprafața specifică mare, biocompatibilitatea excelentă și dimensiunea reglabilă a porilor nanosilicei oferă o gamă largă de aplicații noi, inclusiv livrarea de medicamente și teranostica.

Graficul prezintă distribuția granulometrică a nanosilicei înainte (curba verde) și după (curba roșie) dispersia cu ultrasunete.

Dezaglomerarea și dispersarea cu ultrasunete a nanosilicei

Principiul de funcționare al dezaglomerării și dispersării cu ultrasunete se bazează pe efectele cavitației generate cu ultrasunete, cunoscută științific drept cavitație acustică. Aplicarea ultrasunetelor de mare putere și frecvență joasă în lichide sau suspensii poate provoca cavitație acustică și, prin urmare, condiții extreme, care apar local sub formă de presiuni și temperaturi foarte ridicate, precum și microcurenți cu jeturi de lichid de până la 280m/s. Aceste efecte fizice și mecanice intense ale cavitației ultrasonice provoacă eroziune la suprafața particulelor, precum și fragmentarea particulelor prin coliziuni între particule. Aceste forțe intense ale cavitației ultrasonice / acustice fac din sonicare o metodă extrem de eficientă și fiabilă pentru dezaglomerarea și dispersarea particulelor de dimensiuni nanometrice, precum nanosilicea, nanotuburile și alte nanomateriale.

Distribuția granulometrică a nanosilicei dezaglomerate cu ultrasunete (utilizând ultrasonicatorul Hielscher UP400St) în apă, pentru (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% și (d) 10 wt% Aerosil 200, la diferite intervale de timp.
Studiu și grafice: Vikash 2020.

Procesarea cu ultrasunete a silicei la concentrații ridicate de solide și în lichide vâscoase

Dispersarea nanoparticulelor la concentrații scăzute reprezintă deja o provocare, deoarece trebuie depășite forțele de legătură chimică, precum legăturile ionice, legăturile covalente, legăturile de hidrogen și interacțiunile van der Waals. Odată cu creșterea concentrației de nanoparticule, de ex. a particulelor de nanosilice, interacțiunea chimică dintre nanoparticule crește, de asemenea, semnificativ. Aceasta înseamnă că o tehnică de dispersie puternică este esențială pentru a obține rezultate de dispersie bune și stabile pe termen lung. Dispersoarele cu ultrasunete sunt utilizate ca metodă de dispersie fiabilă și extrem de eficace, fiind capabile să proceseze cu ușurință suspensii cu vâscozități ridicate și chiar paste cu concentrații foarte ridicate de solide. Capacitatea de a procesa suspensii cu încărcări ridicate de nanoparticule face din ultrasonicare tehnologia de dispersie preferată pentru nanomateriale.
Ultrasonicatoarele industriale Hielscher pot procesa suspensia sau pasta dumneavoastră într-un reactor continuu în linie, atâta timp cât aceasta poate fi alimentată cu ajutorul unei pompe.

Producerea cu ultrasunete a nanofluidelor de silice

Modragon et al. (2012) au preparat nanofluide de silice prin dispersarea nanoparticulelor de silice în apă distilată, utilizând ultrasonicatorul cu sondă UP400S. Pentru a produce nanofluide de silice stabile, cu un anumit conținut de solide (adică 20%), cu vâscozitate scăzută și comportament de lichid, condițiile constau într-un tratament de înaltă energie cu o sonotrodă ultrasonică timp de 5 minute, medii bazice (valori ale pH-ului mai mari de 7) și fără adaos de sare. Dispersia cu ultrasunete a dus la obținerea unor nanofluide cu vâscozitate scăzută. Nanofluidele preparate cu ultrasunete s-au comportat ca un lichid și au fost preparate cu o încărcare de solide de 20% într-un timp foarte scurt, datorită dispersiei bune obținute prin sonicare.
„Dintre toate metodele de dispersie disponibile, dispersia cu sonotrode ultrasonice a fost confirmată ca fiind cea mai eficientă.” (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) au ajuns la aceeași concluzie pentru dezaglomerarea pulberii de Aerosil, constatând că sonotroda ultrasonică este cel mai eficient sistem de dispersie, datorită energiei foarte concentrate aplicate.

Ultrasonicatoare pentru dezaglomerarea și dispersarea nanoparticulelor de silice

Atunci când nanosilicea este utilizată în aplicații industriale, în cercetare sau în știința materialelor, pulberea uscată de silice trebuie încorporată într-o fază lichidă. Dispersarea nanosilicei necesită o tehnică de dispersie fiabilă și eficientă, care să aplice suficientă energie pentru a dezaglomera particulele individuale de silice. Ultrasonicatoarele sunt bine cunoscute ca dispersoare puternice și fiabile și sunt, prin urmare, utilizate pentru a dezaglomera și a distribui omogen într-o fază lichidă diverse materiale, precum silicea, nanotuburile, grafena, mineralele și multe alte materiale.

Hielscher Ultrasonics proiectează, produce și distribuie dispersoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru orice tip de aplicații de omogenizare și dezaglomerare. Când vine vorba de producerea nanodispersiilor, controlul precis al sonicării și un tratament ultrasonic fiabil al suspensiei de nanoparticule sunt esențiale pentru a obține produse de înaltă performanță.
Procesoarele Hielscher Ultrasonics vă oferă control deplin asupra tuturor parametrilor de procesare importanți, precum aportul de energie, intensitatea ultrasonică, amplitudinea, presiunea, temperatura și timpul de retenție. Astfel, puteți ajusta parametrii la condiții optimizate, ceea ce conduce ulterior la nanodispersii de înaltă calitate, precum suspensiile de nanosilice.
Pentru orice volum / capacitate: Hielscher oferă ultrasonicatoare și un portofoliu larg de accesorii. Acest lucru permite configurarea sistemului ultrasonic ideal pentru aplicația și capacitatea de producție a dumneavoastră. De la flacoane mici care conțin câțiva mililitri până la fluxuri de volum mare de mii de galoane pe oră, Hielscher oferă soluția ultrasonică potrivită pentru procesul dumneavoastră.
Robustețe: Sistemele noastre cu ultrasunete sunt robuste și fiabile. Toate ultrasonicatoarele Hielscher sunt construite pentru funcționare 24/7/365 și necesită foarte puțină întreținere.
Ușurință în utilizare: Software-ul elaborat al dispozitivelor noastre cu ultrasunete permite preselectarea și salvarea setărilor de sonicare pentru o sonicare simplă și fiabilă. Meniul intuitiv este ușor accesibil prin intermediul unui ecran tactil digital color. Controlul de la distanță prin browser vă permite să operați și să monitorizați prin intermediul oricărui browser de internet. Înregistrarea automată a datelor salvează parametrii de proces ai oricărei sesiuni de sonicare pe un card SD încorporat.
Eficiență energetică excelentă: În comparație cu tehnologiile alternative de dispersie, ultrasonicatoarele Hielscher excelează prin eficiență energetică remarcabilă și rezultate superioare în ceea ce privește distribuția granulometrică.

Graficul prezintă avantajul semnificativ al dispersării cu ultrasunete a silicei cu Hielscher UIP1000 în comparație cu un ultra-turrax. Ultrasonicarea necesită mai puțină energie și obține dimensiuni drastic mai mici ale particulelor de silice.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: