Ультразвуковая деагломерация наночастиц диоксида кремния

Наночастицы диоксида кремния, такие как пирогенный диоксид кремния (например, Aerosil), широко используются в качестве добавки в различных отраслях промышленности. Для получения полнофункционального нанодиоксида кремния с желаемыми характеристиками материала наночастицы диоксида кремния необходимо деагломерировать и распределить в виде отдельных диспергированных частиц. Доказано, что ультразвуковая деагломерация является высокоэффективным и надёжным методом равномерного распределения нанодиоксида кремния в суспензии в виде отдельных диспергированных частиц.

Нанодиоксид кремния – характеристики и применение

Диоксид кремния (SiO₂) и особенно наночастицы диоксида кремния (Si-NPs) являются распространёнными добавками во многих отраслях промышленности. Наноразмерные частицы диоксида кремния обладают очень большой площадью поверхности и уникальными характеристиками, которые используются во многих отраслях промышленности для различных целей. Например, уникальные свойства наноразмерного SiO₂ используются для упрочнения (нано-)композитов, бетона и других материалов. Примерами служат покрытия на основе нанодиоксида кремния, обладающие огнестойкими свойствами, или стекло с покрытием из нанодиоксида кремния, которое благодаря этому приобретает антиотражающие свойства. В строительной отрасли микрокремнезём и нанодиоксид кремния используются как материалы с высокой пуццолановой активностью для улучшения удобоукладываемости, а также механических свойств и долговечности бетона. При сравнении микрокремнезёма и нанодиоксида кремния наноструктурированный пуццолан SiO₂ более активен на ранней стадии, чем микрокремнезём, поскольку нанодиоксид кремния обладает значительно большей удельной площадью поверхности и тонкостью помола. Большая площадь поверхности обеспечивает больше участков для реакции с бетоном и способствует улучшению его микроструктуры, выступая в качестве центра зародышеобразования. Газопроницаемость, являющаяся показателем долговечности бетона, улучшается в бетоне, упрочнённом нанодиоксидом кремния, по сравнению с бетоном, содержащим традиционный микрокремнезём.
В биомедицине и науках о жизни наночастицы SiO₂ широко исследуются для различных применений, поскольку большая площадь поверхности, превосходная биосовместимость и регулируемый размер пор нанодиоксида кремния открывают широкий спектр новых возможностей применения, включая доставку лекарственных средств и тераностику.

На графике показано распределение частиц нанодиоксида кремния по размерам до (зелёная кривая) и после (красная кривая) ультразвукового диспергирования.

Ультразвуковая деагломерация и диспергирование нанодиоксида кремния

Принцип действия ультразвуковой деагломерации и диспергирования основан на эффектах кавитации, создаваемой ультразвуком и известной в научной терминологии как акустическая кавитация. Применение мощного низкочастотного ультразвука в жидкостях или суспензиях может вызывать акустическую кавитацию и тем самым создавать экстремальные условия, которые локально проявляются в виде очень высоких давлений и температур, а также микропотоков со струями жидкости со скоростью до 280m/s. Эти интенсивные физические и механические эффекты ультразвуковой кавитации вызывают эрозию поверхности частиц, а также разрушение частиц при столкновениях между ними. Эти интенсивные силы ультразвуковой / акустической кавитации делают обработку ультразвуком высокоэффективным и надёжным методом деагломерации и диспергирования наноразмерных частиц, таких как нанодиоксид кремния, нанотрубки и другие наноматериалы.

Распределение по размерам частиц нанодиоксида кремния, деагломерированного ультразвуком (с помощью ультразвукового аппарата Hielscher UP400St), в воде при содержании Aerosil 200 (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% и (d) 10 wt% через различные интервалы времени.
Исследование и графики: Vikash 2020.

Ультразвуковая обработка диоксида кремния при высоких концентрациях твёрдой фазы и в вязких жидкостях

Диспергирование наночастиц даже при низких концентрациях представляет собой сложную задачу, поскольку необходимо преодолеть силы химического связывания, такие как ионные связи, ковалентные связи, водородные связи и ван-дер-ваальсовы взаимодействия. С увеличением концентрации наночастиц, например частиц нанодиоксида кремния, химическое взаимодействие между наночастицами также значительно усиливается. Это означает, что для получения хороших результатов диспергирования с долговременной стабильностью необходим мощный метод диспергирования. Ультразвуковые диспергаторы используются как надёжное и высокоэффективное средство диспергирования, позволяющее легко обрабатывать суспензии с высокой вязкостью и даже пасты с очень высокими концентрациями твёрдой фазы. Способность обрабатывать суспензии с высоким содержанием твёрдых наночастиц делает обработку ультразвуком предпочтительной технологией диспергирования наноматериалов.
Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут обрабатывать вашу суспензию или пасту в проточном реакторе непрерывного действия при условии, что её можно подавать насосом.

Ультразвуковое получение наножидкостей на основе диоксида кремния

Modragon и соавт. (2012) получили наножидкости на основе диоксида кремния путём диспергирования наночастиц диоксида кремния в дистиллированной воде с помощью ультразвукового аппарата зондового типа UP400S. Для получения стабильных наножидкостей на основе диоксида кремния с определённым содержанием твёрдой фазы (а именно 20%), низкой вязкостью и поведением, характерным для жидкости, необходимы высокоэнергетическая обработка ультразвуковым зондом в течение 5 минут, щелочная среда (значения pH выше 7) и отсутствие добавления соли. Ультразвуковое диспергирование позволило получить наножидкости с низкой вязкостью. Полученные с помощью ультразвука наножидкости вели себя как жидкость и были приготовлены с содержанием твёрдой фазы 20% за очень короткое время благодаря хорошему диспергированию, достигнутому обработкой ультразвуком.
«Из всех доступных методов диспергирования диспергирование с помощью ультразвуковых зондов было подтверждено как наиболее эффективное». (Modragon et al., 2012)
Petzold и соавт. (2009) пришли к тому же выводу относительно деагломерации порошка Aerosil, установив, что ультразвуковой зонд является наиболее эффективной системой диспергирования благодаря высокой концентрации подводимой энергии.

Ультразвуковые аппараты для деагломерации и диспергирования наночастиц диоксида кремния

При использовании нанодиоксида кремния в промышленных процессах, исследованиях или материаловедении сухой порошок диоксида кремния необходимо вводить в жидкую фазу. Диспергирование нанодиоксида кремния требует надёжного и эффективного метода, обеспечивающего подвод достаточного количества энергии для деагломерации отдельных частиц диоксида кремния. Ультразвуковые аппараты хорошо известны как мощные и надёжные диспергаторы, поэтому их используют для деагломерации и равномерного распределения в жидкой фазе различных материалов, таких как диоксид кремния, нанотрубки, графен, минералы и многие другие материалы.

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и поставляет высокопроизводительные ультразвуковые диспергаторы для любых задач гомогенизации и деагломерации. При производстве нанодисперсий точное управление обработкой ультразвуком и надёжная ультразвуковая обработка суспензии наночастиц необходимы для получения продуктов с высокими эксплуатационными характеристиками.
Процессоры Hielscher Ultrasonics обеспечивают полный контроль над всеми важными параметрами обработки, такими как подвод энергии, интенсивность ультразвука, амплитуда, давление, температура и время пребывания. Благодаря этому можно настроить параметры для оптимальных условий, что впоследствии позволяет получать высококачественные нанодисперсии, например суспензии нанодиоксида кремния.
Для любого объёма / производительности: Hielscher предлагает ультразвуковые аппараты и широкий ассортимент принадлежностей. Это позволяет подобрать конфигурацию идеальной ультразвуковой системы для вашей задачи и производственной мощности. От небольших флаконов, содержащих несколько миллилитров, до потоков большого объёма в тысячи галлонов в час – Hielscher предлагает подходящее ультразвуковое решение для вашего процесса.
Прочность: Наши ультразвуковые системы прочны и надёжны. Все ультразвуковые аппараты Hielscher рассчитаны на работу в режиме 24/7/365 и требуют минимального технического обслуживания.
Удобство использования: Продуманное программное обеспечение наших ультразвуковых устройств позволяет заранее выбирать и сохранять настройки для простой и надёжной обработки ультразвуком. Интуитивно понятное меню легко доступно через цифровой цветной сенсорный дисплей. Дистанционное управление через браузер позволяет управлять работой и контролировать её через любой интернет-браузер. Автоматическая регистрация данных сохраняет параметры процесса каждого цикла обработки ультразвуком на встроенной SD-карте.
Превосходная энергоэффективность: По сравнению с альтернативными технологиями диспергирования ультразвуковые аппараты Hielscher отличаются выдающейся энергоэффективностью и превосходными результатами распределения частиц по размерам.

На графике показано значительное преимущество ультразвукового диспергирования диоксида кремния с помощью Hielscher UIP1000 по сравнению с ultra-turrax. Обработка ультразвуком требует меньше энергии и позволяет получать частицы диоксида кремния значительно меньшего размера.

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: