Deaglomerarea cu ultrasunete a nanoparticulelor de siliciu

Nanoparticulele de silice, cum ar fi siliciul fumed (de exemplu, Aerosil) sunt un aditiv utilizat pe scară largă în diverse industrii. Pentru a obține nanosilice complet funcțională cu caracteristicile materiale dorite, nanoparticulele de siliciu trebuie să fie deaglomerate și distribuite ca particule monodispersate. Deaglomerarea cu ultrasunete sa dovedit a fi o tehnică extrem de eficientă și fiabilă pentru a distribui nanosilica uniform ca particule monodispersate într-o suspensie.

nanosiliciu – Caracteristici și aplicații

Siliciu (SiO₂) și în special nanoparticulele de siliciu (Si-NP) sunt aditivi obișnuiți în multe industrii. Particulele de siliciu de dimensiuni nanometrice oferă o suprafață foarte mare și exprimă caracteristici unice ale particulelor, care sunt utilizate în multe industrii în diverse scopuri. De exemplu, proprietățile unice ale materialelor SiO de dimensiuni nano₂ sunt aplicate pentru a consolida (nano)compozitele, betonul și alte materiale. Exemple sunt acoperirile pe bază de nanosiliciu care oferă proprietăți ignifuge sau sticla acoperită cu nanosilice care câștigă astfel proprietăți antireflexive. În industria construcțiilor, fumul de siliciu (microsiliciu) și nanosiliciul sunt utilizate ca material foarte pozzolanic, care este utilizat pentru a spori lucrabilitatea, precum și proprietățile mecanice și de durabilitate ale betonului. Atunci când se compară fumul de siliciu și nanosiliciul, SiO nanostructurat₂ Pozzolanul este mai activ în stadiu incipient decât fumul de silice, deoarece nanosilica oferă o suprafață specifică și o finețe semnificativ mai mari. Suprafața mai mare oferă mai multe locuri pentru a reacționa cu betonul și contribuie în mod specific la o microstructură îmbunătățită a betonului, acționând ca un nucleu. Permeabilitatea la gaz, un indicator pentru durabilitatea betonului, este îmbunătățită în betonul armat cu nano-siliciu în comparație cu betonul care conține fum tradițional de silice.
În biomedicină și știința vieții, SiO₂ Nanoparticulele sunt investigate pe scară largă pentru diferite aplicații, deoarece suprafața mare, biocompatibilitatea excelentă și dimensiunea porilor acordabili ai nanosiliciului oferă o gamă largă de aplicații noi, inclusiv livrarea de medicamente și teranostica.

Graficul arată distribuția dimensiunii particulelor de nano-siliciu înainte (curba verde) și după (curba roșie) dispersie cu ultrasunete.

Deaglomerarea cu ultrasunete și dispersia nano-siliciului

Principiul de lucru al dezaglomerării și dispersiei cu ultrasunete se bazează pe efectele cavitației generate ultrasonically, cunoscută științific sub numele de cavitație acustică. Aplicarea ultrasunetelor de mare putere, de joasă frecvență, în lichide sau suspensii poate provoca cavitație acustică și, prin urmare, condiții extreme, care apar local ca presiuni și temperaturi foarte ridicate și microstreaming cu jeturi lichide de până la 280 m / s. Aceste efecte fizice și mecanice intense de cavitație cu ultrasunete provoca eroziune la suprafața particulelor, precum și spargerea particulelor prin coliziune inter-particule. Aceste forțe intense de cavitație cu ultrasunete / acustice face sonicare o metodă extrem de eficientă și fiabilă pentru dezaglomerarea și dispersia particulelor de dimensiuni nano auch ca nano-silice, nanotuburi și alte materiale nano.

Distribuția dimensiunii particulelor de nano-silice deaglomerate ultrasonically (folosind ultrasonicator Hielscher UP400St) în apă de (a) 1 greutate %, (b) 2 greutate %, (c) 5 greutate Aerosil 200 % și (d) 10 greutate Aerosil 200 la intervale de timp diferite.
Studiu și grafice: Vikash 2020.

Prelucrarea cu ultrasunete a siliciului cu concentrații solide ridicate și în lichide vâscoase

Dispersarea nanoparticulelor la concentrații scăzute este deja o provocare, deoarece forțele de legătură chimică, cum ar fi legăturile ionice, legăturile covalente, legăturile de hidrogen și interacțiunile van der Waals, trebuie depășite. Odată cu creșterea concentrației de nanoparticule, de exemplu, particule nano-silice, interacțiunea chimică dintre nanoparticule crește, de asemenea, semnificativ. Aceasta înseamnă că o tehnică puternică de dispersie este esențială pentru a obține rezultate bune, stabile pe termen lung. Dispersoarele cu ultrasunete sunt utilizate ca metodă de dispersie fiabilă și extrem de eficientă, care sunt ușor capabile să proceseze suspensii cu vâscozități ridicate și chiar paste cu concentrații solide foarte ridicate. Capacitatea de a procesa suspensii cu sarcini solide mari de nano-particule transformă ultrasonication în tehnologia preferată de dispersie pentru nano-materiale.
Hielscher ultrasonicators industriale pot procesa suspensia sau pasta într-un reactor continuu în linie, atâta timp cât acesta poate fi alimentat printr-o pompă.

Producția cu ultrasunete de nanofluide de siliciu

Modragon et al. (2012) au preparat nanofluide de siliciu preparate prin dispersarea nanoparticulelor de siliciu în apă distilată utilizând sondă ultrasonicator UP400S. Pentru a produce nanofluide stabile de siliciu cu un anumit conținut solid (adică 20%), cu vâscozitate scăzută și comportament lichid similar, constau într-un tratament cu energie înaltă cu o sondă cu ultrasunete 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 nanofluide cu vâscozitate scăzută. Nanofluidele preparate ultrasonically s-au comportat ca lichid și au fost preparate cu 20% de încărcare solidă într-un timp foarte scurt datorită dispersiei bune obținute cu sonicare.
"Dintre toate metodele de dispersie disponibile, dispersia cu sonde ultrasonice a fost confirmată ca fiind cea mai eficientă." (Modragon și colab., 2012)
Petzold et al. (2009) au ajuns la aceeași concluzie pentru dezaglomerarea pulberii Aerosil, constatând că sonda cu ultrasunete este cel mai eficient sistem de dispersie datorită energiei foarte concentrate aplicate.

Ultrasonicators pentru dezaglomerarea și dispersia nanoparticulelor de siliciu

Atunci când nanosiliciul este utilizat în aplicații industriale, cercetare sau știința materialelor, pulberea uscată de silice trebuie încorporată într-o fază lichidă. Dispersia nano-siliciului necesită o tehnică de dispersie fiabilă și eficientă, care aplică suficientă energie pentru a deaglomera particulele unice de silice. Ultrasonicators sunt bine cunoscute ca dispersoare puternice și fiabile, prin urmare, utilizate pentru a deaglomera și distribui diverse materiale, ar fi silice, nanotuburi, grafen, minerale și multe alte materiale omogen într-o fază lichidă.

Hielscher Ultrasonics proiectează, produce și distribuie dispersoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru orice fel de aplicații de omogenizare și dezaglomerare. Când vine vorba de producția de nano-dispersii, controlul precis sonicare și un tratament fiabil cu ultrasunete al suspensiei de nanoparticule sunt esențiale pentru a obține produse de înaltă performanță.
Hielscher Ultrasonics' procesoare vă oferă control deplin asupra tuturor parametrilor importanți de procesare, ar fi aportul de energie, intensitatea cu ultrasunete, amplitudinea, presiunea, temperatura și timpul de retenție. Astfel, puteți ajusta parametrii la condiții optimizate, ceea ce duce ulterior la o nano-dispersie de înaltă calitate, cum ar fi suspensiile de nanosilice.
Pentru orice volum / capacitate: Hielscher oferă ultrasonicators și un portofoliu larg de accesorii. Acest lucru permite configurarea sistemului cu ultrasunete ideal pentru aplicația și capacitatea de producție. De la flacoane mici care conțin câțiva mililitri la fluxuri de volum mare de mii de galoane pe oră, Hielscher oferă soluția cu ultrasunete potrivită pentru procesul dumneavoastră.
Robustețe: Sistemele noastre cu ultrasunete sunt robuste și fiabile. Toate ultrasonicators Hielscher sunt construite pentru funcționarea 24/7/365 și necesită foarte puțină întreținere.
Ușurință în utilizare: Software-ul elaborat al dispozitivelor noastre cu ultrasunete permite pre-selectarea și salvarea setărilor sonicare pentru o sonicare simplă și fiabilă. Meniul intuitiv este ușor accesibil prin intermediul unui afișaj tactil digital colorat. Controlul de la distanță al browserului vă permite să operați și să monitorizați prin orice browser de internet. Înregistrarea automată a datelor salvează parametrii procesului de orice sonicare rula pe un built-in SD-card.
Eficiență energetică excelentă: În comparație cu tehnologiile alternative de dispersie, ultrasonicators Hielscher excelează cu o eficiență energetică remarcabilă și rezultate superioare în distribuția dimensiunii particulelor.

Graficul arată avantajul semnificativ al dispersiei cu ultrasunete de siliciu cu Hielscher UIP1000 în comparație cu un ultra-turrax. Ultrasonication necesită mai puțină energie și atinge dimensiunea drastic mai mică a particulelor de silice.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: