Ultrazvuková deaglomerácia nanočastíc oxidu kremičitého

Nanočastice oxidu kremičitého, napríklad pyrogénny oxid kremičitý (napr. Aerosil), sú široko používanou prísadou v rôznych priemyselných odvetviach. Na získanie plne funkčného nanooxidu kremičitého s požadovanými materiálovými vlastnosťami sa musia nanočastice oxidu kremičitého deaglomerovať a rozptýliť ako jednotlivo dispergované častice. Ultrazvuková deaglomerácia sa preukázala ako vysoko účinná a spoľahlivá technika na rovnomerné rozptýlenie nanooxidu kremičitého vo forme jednotlivo dispergovaných častíc v suspenzii.

Nanooxid kremičitý – vlastnosti a aplikácie

Oxid kremičitý (SiO₂) a najmä nanočastice oxidu kremičitého (Si-NPs) sú bežnými prísadami v mnohých priemyselných odvetviach. Častice oxidu kremičitého s nanometrovými rozmermi poskytujú veľmi veľký povrch a vykazujú jedinečné vlastnosti častíc, ktoré sa využívajú v mnohých priemyselných odvetviach na rôzne účely. Napríklad jedinečné materiálové vlastnosti nanometrového SiO₂ sa využívajú na vystuženie (nano-)kompozitov, betónu a ďalších materiálov. Príkladmi sú povlaky na báze nanooxidu kremičitého, ktoré poskytujú ohňovzdorné vlastnosti, alebo sklo potiahnuté nanooxidom kremičitým, ktoré tým získava antireflexné vlastnosti. V stavebníctve sa kremičitý úlet (mikrosilika) a nanooxid kremičitý používajú ako materiály s vysokou pucolánovou aktivitou na zlepšenie spracovateľnosti, mechanických vlastností a trvanlivosti betónu. Pri porovnaní kremičitého úletu a nanooxidu kremičitého je pucolán na báze nanoštruktúrovaného SiO₂ v počiatočnom štádiu aktívnejší než kremičitý úlet, pretože nanooxid kremičitý má výrazne väčší merný povrch a vyššiu jemnosť. Väčší povrch poskytuje viac miest na reakciu s betónom a pôsobením ako nukleačné jadro prispieva najmä k zlepšeniu mikroštruktúry betónu. Priepustnosť plynov, ktorá je ukazovateľom trvanlivosti betónu, sa v betóne vystuženom nanooxidom kremičitým zlepšuje v porovnaní s betónom obsahujúcim tradičný kremičitý úlet.
V biomedicíne a biologických vedách sa nanočastice SiO₂ intenzívne skúmajú pre rôzne aplikácie, pretože veľký povrch, vynikajúca biokompatibilita a nastaviteľná veľkosť pórov nanooxidu kremičitého ponúkajú širokú škálu nových aplikácií vrátane dodávania liečiv a teranostiky.

Graf zobrazuje distribúciu veľkosti častíc nanooxidu kremičitého pred ultrazvukovým dispergovaním (zelená krivka) a po ňom (červená krivka).

Ultrazvuková deaglomerácia a dispergovanie nanooxidu kremičitého

Princíp ultrazvukovej deaglomerácie a dispergovania je založený na účinkoch kavitácie generovanej ultrazvukom, odborne označovanej ako akustická kavitácia. Aplikácia vysokovýkonného nízkofrekvenčného ultrazvuku v kvapalinách alebo suspenziách môže vyvolať akustickú kavitáciu, a tým extrémne podmienky, ktoré sa lokálne prejavujú veľmi vysokými tlakmi a teplotami a mikroprúdením s prúdmi kvapaliny dosahujúcimi rýchlosť až 280m/s. Tieto intenzívne fyzikálne a mechanické účinky ultrazvukovej kavitácie spôsobujú eróziu povrchu častíc, ako aj rozbíjanie častíc vzájomnými zrážkami. Tieto intenzívne sily ultrazvukovej / akustickej kavitácie robia zo sonikácie vysoko účinnú a spoľahlivú metódu deaglomerácie a dispergovania častíc s nanometrovými rozmermi, ako sú nanooxid kremičitý, nanorúrky a ďalšie nanomateriály.

Distribúcia veľkosti častíc ultrazvukovo deaglomerovaného nanooxidu kremičitého (s použitím ultrazvukového prístroja Hielscher UP400St) vo vode pri (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% a (d) 10 wt% Aerosil 200 v rôznych časových intervaloch.
Štúdia a grafy: Vikash 2020.

Ultrazvukové spracovanie oxidu kremičitého pri vysokých koncentráciách tuhých látok a vo viskóznych kvapalinách

Dispergovanie nanočastíc už pri nízkych koncentráciách predstavuje výzvu, pretože je potrebné prekonať sily chemických väzieb, ako sú iónové väzby, kovalentné väzby, vodíkové väzby a van der Waalsove interakcie. So zvyšujúcou sa koncentráciou nanočastíc, napr. nanočastíc oxidu kremičitého, sa výrazne zvyšujú aj chemické interakcie medzi nanočasticami. To znamená, že na dosiahnutie dobrých, dlhodobo stabilných výsledkov dispergácie je nevyhnutná výkonná dispergačná technika. Ultrazvukové dispergátory sa používajú ako spoľahlivá a vysoko účinná metóda dispergácie, ktorá umožňuje bez problémov spracovávať suspenzie s vysokou viskozitou a dokonca aj pasty s veľmi vysokými koncentráciami tuhých látok. Schopnosť spracovávať suspenzie s vysokým obsahom tuhých nanočastíc robí z ultrazvukového spracovania preferovanú technológiu dispergovania nanomateriálov.
Priemyselné ultrazvukové prístroje Hielscher dokážu spracovať vašu suspenziu alebo pastu v kontinuálnom prietokovom reaktore, pokiaľ ju možno privádzať čerpadlom.

Ultrazvuková výroba nanokvapalín s oxidom kremičitým

Modragon a kol. (2012) pripravili nanokvapaliny s oxidom kremičitým dispergovaním nanočastíc oxidu kremičitého v destilovanej vode pomocou sondového ultrazvukového prístroja UP400S. Na výrobu stabilných nanokvapalín s oxidom kremičitým s určitým obsahom tuhých látok (t. j. 20%), nízkou viskozitou a správaním podobným kvapaline je potrebné vysokoenergetické spracovanie ultrazvukovou sondou počas 5 minút, zásadité prostredie (hodnoty pH vyššie ako 7) a nepridávanie soli. Ultrazvukovou dispergáciou vznikli nanokvapaliny s nízkou viskozitou. Ultrazvukom pripravené nanokvapaliny sa správali ako kvapalina a vďaka dobrej dispergácii dosiahnutej sonikáciou boli pripravené s obsahom tuhých látok 20% vo veľmi krátkom čase.
„Zo všetkých dostupných metód dispergácie sa dispergácia ultrazvukovými sondami potvrdila ako najúčinnejšia.“ (Modragon a kol., 2012)
Petzold a kol. (2009) dospeli k rovnakému záveru pri deaglomerácii prášku Aerosil, pričom zistili, že ultrazvuková sonda je najúčinnejším dispergačným systémom vďaka vysoko sústredenej aplikovanej energii.

Ultrazvukové prístroje na deaglomeráciu a dispergáciu nanočastíc oxidu kremičitého

Keď sa nanooxid kremičitý používa v priemyselných aplikáciách, vo výskume alebo v materiálovej vede, suchý prášok oxidu kremičitého sa musí zapracovať do kvapalnej fázy. Dispergácia nanooxidu kremičitého vyžaduje spoľahlivú a účinnú dispergačnú techniku, ktorá dodáva dostatok energie na deaglomeráciu jednotlivých častíc oxidu kremičitého. Ultrazvukové prístroje sú dobre známe ako výkonné a spoľahlivé dispergátory, preto sa používajú na deaglomeráciu a homogénne rozptýlenie rôznych materiálov, ako sú oxid kremičitý, nanorúrky, grafén, minerály a mnohé ďalšie materiály, v kvapalnej fáze.

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové dispergátory pre všetky druhy homogenizačných a deaglomeračných aplikácií. Pri výrobe nanodisperzií sú presné riadenie sonikácie a spoľahlivé ultrazvukové spracovanie suspenzie nanočastíc nevyhnutné na získanie produktov s vynikajúcimi úžitkovými vlastnosťami.
Procesory Hielscher Ultrasonics vám poskytujú úplnú kontrolu nad všetkými dôležitými parametrami spracovania, ako sú prívod energie, intenzita ultrazvuku, amplitúda, tlak, teplota a doba zdržania. Parametre tak môžete nastaviť na optimalizované podmienky, čo následne vedie k vysokokvalitným nanodisperziám, ako sú suspenzie nanooxidu kremičitého.
Pre akýkoľvek objem / kapacitu: Hielscher ponúka ultrazvukové prístroje a široké portfólio príslušenstva. To umožňuje nakonfigurovať ideálny ultrazvukový systém pre vašu aplikáciu a výrobnú kapacitu. Od malých liekoviek obsahujúcich niekoľko mililitrov až po veľkoobjemové prúdy s prietokom tisícov galónov za hodinu ponúka Hielscher vhodné ultrazvukové riešenie pre váš proces.
Robustnosť: Naše ultrazvukové systémy sú robustné a spoľahlivé. Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher sú skonštruované na prevádzku 24/7/365 a vyžadujú len veľmi málo údržby.
Jednoduché používanie: Prepracovaný softvér našich ultrazvukových zariadení umožňuje predvoliť a uložiť nastavenia sonikácie pre jednoduchú a spoľahlivú sonikáciu. Intuitívna ponuka je ľahko prístupná prostredníctvom digitálneho farebného dotykového displeja. Diaľkové ovládanie cez prehliadač umožňuje obsluhu a monitorovanie prostredníctvom ľubovoľného internetového prehliadača. Automatický záznam údajov ukladá procesné parametre každého cyklu sonikácie na zabudovanú SD kartu.
Vynikajúca energetická účinnosť: V porovnaní s alternatívnymi dispergačnými technológiami vynikajú ultrazvukové zariadenia Hielscher mimoriadnou energetickou účinnosťou a lepšími výsledkami v distribúcii veľkosti častíc.

Graf ukazuje výraznú výhodu ultrazvukovej dispergácie oxidu kremičitého pomocou zariadenia Hielscher UIP1000 v porovnaní so zariadením ultra-turrax. Sonikácia vyžaduje menej energie a dosahuje podstatne menšiu veľkosť častíc oxidu kremičitého.

Nasledujúca tabuľka poskytuje orientačný prehľad o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových zariadení: