Ультразвуковая деагломерация наночастиц диоксида кремния

Наночастицы диоксида кремния, такие как диоксид кремния (например, аэросил), являются широко используемой добавкой в различных отраслях промышленности. Для получения полнофункционального нанокремнезема с желаемыми характеристиками материала наночастицы кремнезема должны быть деагломерированы и распределены в виде одиночных дисперсных частиц. Доказано, что ультразвуковая деагломерация является высокоэффективным и надежным методом равномерного распределения нанокремнезема в виде одиночных дисперсных частиц в суспензии.

нанокремнезем – Характеристики и применение

Диоксид кремния (SiO₂) и особенно наночастицы кремнезема (Si-NPs) являются распространенными добавками во многих отраслях промышленности. Наноразмерные частицы кремнезема имеют очень большую площадь поверхности и обладают уникальными характеристиками частиц, которые используются во многих отраслях промышленности для различных целей. Например, уникальные свойства материала наноразмерного SiO₂ применяются для армирования (нано)композитов, бетона и других материалов. Примерами являются покрытия на основе нанокремнезема, которые обладают огнеупорными свойствами, или стекло, покрытое нанокремнеземом, которое приобретает тем самым антибликовые свойства. В строительстве и строительстве дым кремнезема (микрокремнезем) и нанокремнезем используются в качестве материала с высокой степенью пуцццолановой очистки, который используется для улучшения удобоукладываемости, а также механических и прочных свойств бетона. При сравнении дыма диоксида кремния и нанокремнезема наноструктурированный SiO₂ Пуццолан более активен на ранних стадиях, чем дым кремнезема, поскольку нанокремнезем обеспечивает значительно большую удельную поверхность и тонкость помола. Большая площадь поверхности обеспечивает больше участков для взаимодействия с бетоном и, в частности, способствует улучшению микроструктуры бетона, выступая в качестве ядра. Газопроницаемость, показатель прочности бетона, улучшена в бетоне, армированном нанокремнеземом, по сравнению с бетоном, содержащим традиционные пары кремнезема.
В области биомедицины и наук о жизни, SiO₂ Наночастицы широко исследуются для различных применений, поскольку большая площадь поверхности, отличная биосовместимость и настраиваемый размер пор нанокремнезема предлагают широкий спектр новых применений, включая доставку лекарств и тераностику.

На диаграмме показано распределение частиц нанокремнезема по размерам до (зеленая кривая) и после (красная кривая) ультразвукового диспергирования.

Ультразвуковая деагломерация и диспергирование нанокремнезема

Принцип работы ультразвуковой деагломерации и диспергирования основан на эффектах ультразвуковой кавитации, научно известной как акустическая кавитация. Применение мощного низкочастотного ультразвука в жидкостях или суспензиях может вызвать акустическую кавитацию и, следовательно, экстремальные условия, которые проявляются локально в виде очень высоких давлений и температур, а также микроструи со струями жидкости со скоростью до 280 м/с. Эти интенсивные физические и механические эффекты ультразвуковой кавитации вызывают эрозию поверхности частиц, а также разрушение частиц при столкновении между частицами. Эти интенсивные силы ультразвуковой / акустической кавитации делают ультразвук высокоэффективным и надежным методом деагломерации и диспергирования наноразмерных частиц в виде нанокремнезема, нанотрубок и других наноматериалов.

Распределение частиц по размерам нанокремнезема, деагломерированного ультразвуковым путем (с использованием ультразвукового аппарата Hielscher UP400St) в воде (a) 1 мас.%, (b) 2 мас.%, (c) 5 мас.% и (d) 10 мас.% Aerosil 200 через различные промежутки времени.
Исследование и графики: Викаш 2020.

Ультразвуковая обработка диоксида кремния с высокой концентрацией твердых частиц и в вязких жидкостях

Диспергирование наночастиц в низких концентрациях уже является сложной задачей, поскольку необходимо преодолеть силы химических связей, такие как ионные связи, ковалентные связи, водородные связи и ван-дер-ваальсовые взаимодействия. С увеличением концентрации наночастиц, например, частиц нанокремнезема, химическое взаимодействие между наночастицами также значительно увеличивается. Это означает, что мощный метод диспергирования необходим для получения хороших, долгосрочных стабильных результатов диспергирования. Ультразвуковые диспергаторы используются в качестве надежного и высокоэффективного диспергирующего метода, который легко способен обрабатывать суспензии с высокой вязкостью и даже пасты с очень высокой концентрацией твердых веществ. Возможность обработки суспензий с высокой концентрацией твердых частиц превращает ультразвук в предпочтительную технологию диспергирования наноматериалов.
Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут обрабатывать суспензию или пасту в поточном реакторе непрерывного действия, при условии, что она может подаваться через насос.

Ультразвуковое производство наножидкостей из диоксида кремния

Modragon et al. (2012) готовили наножидкости с диоксидом кремния, полученные путем диспергирования наночастиц кремнезема в дистиллированной воде с использованием ультразвуковой узел зондового типа UP400S. Для получения стабильных наножидкостей с диоксидом кремния с определенным содержанием твердых частиц (т.е. 20%), с низкой вязкостью и подобными жидкостными свойствами, необходимо провести высокоэнергетическую обработку ультразвуковым зондом в течение 5 минут, использовать основную среду (значения рН выше 7) и не добавлять соль. В результате ультразвукового диспергирования получаются наножидкости с низкой вязкостью. Наножидкости, полученные ультразвуком, вели себя как жидкость и были получены с 20% твердой нагрузкой в течение очень короткого времени благодаря хорошей дисперсии, достигаемой при ультразвуковой обработке.
«Из всех доступных методов диспергирования диспергирование с помощью ультразвуковых зондов было подтверждено как наиболее эффективный». (Модагон и др., 2012)
Petzold et al. (2009) пришли к такому же выводу для деагломерации порошка Aerosil, обнаружив, что ультразвуковой зонд является наиболее эффективной дисперсионной системой из-за применяемой высокосфокусированной энергии.

Ультразвуковые аппараты для деагломерации и диспергирования наночастиц диоксида кремния

Когда нанокремнезем используется в промышленности, исследованиях или материаловедении, сухой порошок диоксида кремния должен быть включен в жидкую фазу. Диспергирование нанокремнезема требует надежного и эффективного метода диспергирования, который применяет достаточно энергии для деагломерации отдельных частиц кремнезема. Ультразвуковые аппараты хорошо известны как мощные и надежные диспергаторы, поэтому используются для деагломерации и распределения различных материалов, таких как диоксид кремния, нанотрубки, графен, минералы и многие другие материалы, в однородную жидкую фазу.

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и распространяет высокопроизводительные ультразвуковые диспергаторы для любых видов применения в области гомогенизации и деагломерации. Когда дело доходит до производства нанодисперсий, точное управление ультразвуком и надежная ультразвуковая обработка суспензии наночастиц имеют важное значение для получения высокоэффективных продуктов.
Процессоры Hielscher Ultrasonics обеспечивают полный контроль над всеми важными параметрами обработки, такими как потребляемая энергия, интенсивность ультразвука, амплитуда, давление, температура и время удержания. Таким образом, вы можете настроить параметры в соответствии с оптимизированными условиями, что впоследствии приводит к высококачественной нанодисперсии, такой как нанокремнеземные суспензии.
Для любого объема/емкости: Hielscher предлагает ультразвуковые аппараты и широкий ассортимент аксессуаров. Это позволяет сконфигурировать идеальную ультразвуковую систему для вашей области применения и производственных мощностей. От небольших флаконов, содержащих несколько миллилитров, до больших объемов потоков в тысячи галлонов в час, Hielscher предлагает подходящее ультразвуковое решение для вашего технологического процесса.
Робастность: Наши ультразвуковые системы прочны и надежны. Все ультразвуковые аппараты Hielscher рассчитаны на работу в режиме 24/7/365 и требуют минимального обслуживания.
Удобство использования: Разработанное программное обеспечение наших ультразвуковых аппаратов позволяет предварительно выбирать и сохранять настройки ультразвуковой обработки для простого и надежного ультразвукового контроля. Интуитивно понятное меню легко доступно с помощью цветного цифрового сенсорного дисплея. Удаленное управление браузером позволяет управлять и контролировать через любой интернет-браузер. Автоматическая запись данных сохраняет технологические параметры любого прогона ультразвука на встроенной SD-карте.
Превосходная энергоэффективность: По сравнению с альтернативными технологиями диспергирования, ультразвуковые аппараты Hielscher отличаются выдающейся энергоэффективностью и превосходными результатами по распределению частиц по размерам.

На диаграмме показано значительное преимущество ультразвукового диспергирования диоксида кремния с помощью UIP1000 Хильшера по сравнению с ультратурраксом. Ультразвуковое исследование требует меньше энергии и позволяет значительно уменьшить размер частиц кремнезема.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: