Наночастицы кремнезема, такие как дымящегося кремнезема (например, Aerosil), являются широко используемой добавкой в различных отраслях промышленности. Чтобы получить полностью функциональный нанокнезем с желаемыми характеристиками материала, наночастицы кремнезема должны быть деагломерированы и распределены в виде однодисперсных частиц. Было доказано, что ультразвуковая деагломерация является высокоэффективным и надежным методом равномерного распределения нанокремнезема в виде однодисперсных частиц в суспензии.

Наносемний – Характеристики и области применения

Силикагель (SiO₂) и особенно наночастицы кремнезема (Si-NPs) являются распространенными добавками во многих отраслях промышленности. Наноразмерные частицы кремнезема имеют очень большую площадь поверхности и выражают уникальные характеристики частиц, которые используются во многих отраслях промышленности для различных целей. Например, уникальные свойства материала наноразмера SiO₂ применяются для армформы (нано)композитов, бетона и других материалов. Примерами являются покрытия на основе нанокремнезема, которые обладают огнеупорными свойствами, или стекло, покрытое наносемнеземом, которое приобретает тем самым антибликовые свойства. В строительной отрасли дым кремнезема (микрокремнезем) и наносемний используются в качестве высокопизоланового материала, который используется для повышения обрабатываемости, а также механических и долговечностных свойств бетона. Когда сравниваются дым кремнезема и нанонезем, наноструктурированный SiO₂ пуццолан более активен на ранней стадии, чем дым кремнезема, поскольку нанокремний предлагает значительно большую удельную площадь поверхности и тонкость. Большая площадь поверхности предлагает больше участков для реакции с бетоном и вносит свой вклад в улучшение микроструктуры бетона, действуя как ядро. Газопроницаемость, показатель долговечности бетона, улучшается в бетоне, который армирован нанокремнеземом по сравнению с бетоном, содержащим традиционный дым кремнезема.
В биомедицине и науках о жизни, SiO₂ наночастицы широко исследуются для различных применений, поскольку высокая площадь поверхности, отличная биосовместимость и настраиваемый размер пор нанокварья предлагают широкий спектр новых применений, включая доставку лекарств и тираностику.

На диаграмме показано распределение частиц по размерам нанокварцевого кремнезема до (зеленая кривая) и после (красная кривая) ультразвуковой дисперсии.

Ультразвуковой деагломерат и дисперсия нанокварца

Принцип работы ультразвуковой деагломерации и дисперсии 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 происходят локально, как очень высокие давления и температуры, и микропоток с жидкостными струями до 280 м / с. Эти интенсивные физико-механические эффекты ультразвуковой кавитации вызывают эрозию на поверхности частиц, а также разрушение частиц в результате столкновения между частицами. Эти интенсивные силы ультразвуковой / акустической кавитации делают обработку ультразвуком высокоэффективным и надежным методом деагломерации и дисперсии наноразмерных частиц, таких как нанокварзем, нанотрубки и другие наноматериалы.

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

Ультразвуковая обработка кремнезема с высокими твердыми концентрациями и в вязких жидкостях

Диспергирование наночастиц при низких концентрациях уже является сложной задачей, поскольку химические силы связи, такие как ионные связи, ковалентные связи, водородные связи и взаимодействия Ван-дер-Ваальса, должны быть преодолены. С увеличением концентрации наночастиц, например, частиц нанокремнезема, химическое взаимодействие между наночастицами также значительно увеличивается. Это означает, что мощный метод дисперсии необходим для получения хороших, долгосрочных стабильных результатов дисперсии. Ультразвуковые диспергаторы используются как надежный и высокоэффективный метод диспергирования, которые легко способны обрабатывать суспензии с высокой вязкостью и даже пасты с очень высокими концентрациями твердых веществ. Способность обрабатывать суспензии с высокими твердыми нагрузками наночастиц превращает ультразвук в предпочтительную технологию диспергирования для наноматериалов.
Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут обрабатывать вашу суспензию или пасту в непрерывном поточном реакторе, если она может подаваться через насос.

Ультразвуковое производство наножидкого кремнезема

Modragon et al. (2012) готовили наножидкие кварцевые кислоты, полученные путем диспергирования наночастиц кремнезема в дистиллированной воде с использованием ультразвуковой аппарат зондового типа UP400S. Для получения стабильных кремнеземных наножидкости с определенным содержанием твердого вещества (т.е. 20%), с низкой вязкостью и подобным жидким поведением, состоят в высокоэнергетике обработки ультразвуковым зондом в течение 5 минут, основной средой (значения рН выше 7) и без добавления соли. Ультразвуковая дисперсия привела к наножидкостям с низкой вязкостью. Ультразвуковые наножидкости вели себя как жидкость и были приготовлены с 20% твердой нагрузки в течение очень короткого времени благодаря хорошей дисперсии, достигнутой с помощью ультразвуковой работы.
«Из всех доступных методов диспергирования дисперсия с помощью ультразвуковых зондов была подтверждена как наиболее эффективная». (Модрагон и др., 2012)
Petzold et al. (2009) пришли к тому же выводу для деагломерации порошка Aerosil, обнаружив, что ультразвуковой зонд является наиболее эффективной дисперсионной системой из-за высоко сфокусированной энергии.

Ультразвуковые аппараты для деагломерации и дисперсии наночастиц кремнезема

Когда нанокварцевый кремнезем используется в промышленных приложениях, исследованиях или материаловедение, сухой порошок кремнезема должен быть включен в жидкую фазу. Дисперсия нанокварзема 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 кремнезем, нанотрубки, графен, минералы и многие другие материалы однородно в жидкую фазу.

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и распространяет высокоэффективные ультразвуковые диспергаторы для любого вида гомогенизации и деагломерации. Когда дело доходит до производства нанодисперсий, точный контроль ультразвука и надежная ультразвуковая обработка суспензии наночастиц имеют важное значение для получения высокоэффективных продуктов.
Процессоры Hielscher Ultrasonics дают вам 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 на оптимизированные условия, что впоследствии приводит к высококачественной нанодисперсии, такой как нанокнеземные суспензии.
Для любого объема / емкости: Hielscher предлагает ультразвуковые аппараты и широкий ассортимент аксессуаров. Это позволяет конфигурирование идеальной ультразвуковой системы для вашего применения и производственных мощностей. От небольших флаконов, содержащих несколько миллилитров, до потоков большого объема в тысячи галлонов в час, Hielscher предлагает подходящее ультразвуковое решение для вашего процесса.
Надежность: Наши ультразвуковые системы надежны и надежны. Все ультразвуковые системы Hielscher построены для работы 24/7/365 и требуют очень небольшого технического обслуживания.
Удобство пользователя: Разработанное программное обеспечение наших ультразвуковых устройств позволяет предварительной выбор и сохранение настроек sonication для простой и надежной звуковой связи. Интуитивно понятное меню легко доступно с помощью цифрового цветного сенсорного дисплея. Пульт дистанционного управления браузером позволяет работать и контролировать через любой интернет-браузер. Автоматическая запись данных сохраняет параметры процесса любого звукового запуска на встроенной SD-карте.
Отличная энергоэффективность: По сравнению с альтернативными дисперсионными технологиями ультразвуковые аппараты Hielscher отличаются выдающейся энергоэффективностью и превосходными результатами в распределении частиц по размеру.

На графике показано значительное преимущество ультразвуковой дисперсии кремнезема с Hielscher UIP1000 по сравнению с ультра-турраксом. Ультразвук требует меньше энергии и достигает значительно меньшего размера частиц кремнезема.

В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов: