Ultrazvuková deaglomerácia nanočastíc oxidu kremičitého

Nanočastice oxidu kremičitého, ako je dymový oxid kremičitý (napr. Aerosil), sú široko používanou prísadou v rôznych priemyselných odvetviach. Aby sa získal plne funkčný nanooxid kremičitý s požadovanými materiálovými vlastnosťami, nanočastice oxidu kremičitého musia byť deaglomerované a distribuované ako jednotlivé dispergované častice. Ultrazvuková deaglomerácia sa osvedčila ako vysoko účinná a spoľahlivá technika na rovnomernú distribúciu nanooxidu kremičitého ako jednodispergovaných častíc v suspenzii.

Nanooxid kremičitý – Charakteristiky a aplikácie

Oxid kremičitý (SiO₂) a najmä nanočastice oxidu kremičitého (Si-NP) sú bežnými prísadami v mnohých priemyselných odvetviach. Nanočastice oxidu kremičitého ponúkajú veľmi veľký povrch a vyjadrujú jedinečné vlastnosti častíc, ktoré sa využívajú v mnohých priemyselných odvetviach na rôzne účely. Napríklad jedinečné materiálové vlastnosti nanorozmerov SiO₂ sa používajú na vystuženie (nano)kompozitov, betónu a iných materiálov. Príkladom sú nátery na báze nanooxidu kremičitého, ktoré ponúkajú ohňovzdorné vlastnosti, alebo sklo potiahnuté nanokremičikou, ktorá tým získava antireflexné vlastnosti. V stavebníctve sa kremičitý výpary (mikrokremičika) a nanooxid kremičitý používajú ako vysoko pucolánový materiál, ktorý sa používa na zlepšenie spracovateľnosti, ako aj mechanických a trvanlivých vlastností betónu. Pri porovnaní výparov oxidu kremičitého a nanooxidu kremičitého sa nanoštruktúrovaný SiO₂ Pucolán je aktívnejší v počiatočnom štádiu ako výpary oxidu kremičitého, pretože nanooxid kremičitý ponúka výrazne väčší špecifický povrch a jemnosť. Väčšia plocha ponúka viac miest na reakciu s betónom a prispieva konkrétne k zlepšeniu mikroštruktúry betónu tým, že pôsobí ako jadro. Priepustnosť plynov, indikátor trvanlivosti betónu, sa zlepšuje v betóne, ktorý je vystužený nanokremičitým v porovnaní s betónom obsahujúcim tradičné výpary oxidu kremičitého.
V biomedicíne a vedách o živej prírode SiO₂ Nanočastice sú široko skúmané pre rôzne aplikácie, pretože veľký povrch, vynikajúca biokompatibilita a laditeľná veľkosť pórov nanooxidu kremičitého ponúka širokú škálu nových aplikácií vrátane podávania liekov a teranostiky.

Graf zobrazuje distribúciu veľkosti častíc nanooxidu kremičitého pred (zelená krivka) a po (červená krivka) ultrazvukovej disperzii.

Ultrazvuková deaglomerácia a disperzia nanooxidu kremičitého

Princíp činnosti ultrazvukovej deaglomerácie a disperzie je založený na účinkoch ultrazvukom generovanej kavitácie, vedecky známej ako akustická kavitácia. Aplikácia vysokovýkonného, nízkofrekvenčného ultrazvuku v kvapalinách alebo kaloch môže spôsobiť akustickú kavitáciu a tým extrémne podmienky, ktoré sa lokálne vyskytujú ako veľmi vysoké tlaky a teploty, a mikroprúdenie s prúdmi kvapaliny až do 280 m/s. Tieto intenzívne fyzikálne a mechanické účinky ultrazvukovej kavitácie spôsobujú eróziu na povrchu častíc, ako aj rozbitie častíc zrážkou medzi časticami. Tieto intenzívne sily ultrazvukovej / akustickej kavitácie robia zo sonikácie vysoko účinnú a spoľahlivú metódu na deaglomeráciu a disperziu nanočastíc ako nano-oxid kremičitý, nanotrubice a iné nano materiály.

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

Ultrazvukové spracovanie oxidu kremičitého s vysokými koncentráciami pevných látok a vo viskóznych kvapalinách

Dispergovanie nanočastíc pri nízkych koncentráciách je už teraz náročné, pretože je potrebné prekonať chemické väzbové sily, ako sú iónové väzby, kovalentné väzby, vodíkové väzby a van der Waalsove interakcie. So zvyšujúcou sa koncentráciou nanočastíc, napr. nanočastíc oxidu kremičitého, sa výrazne zvyšuje aj chemická interakcia medzi nanočasticami. To znamená, že výkonná disperzná technika je nevyhnutná na dosiahnutie dobrých a dlhodobo stabilných výsledkov disperzie. Ultrazvukové dispergátory sa používajú ako spoľahlivá a vysoko účinná disperzná metóda, ktorá je ľahko schopná spracovať suspenziu s vysokou viskozitou a dokonca aj pasty s veľmi vysokými koncentráciami pevných látok. Schopnosť spracovávať suspenzie s vysokým zaťažením nanočastíc z pevných látok sa ultrazvuk stáva preferovanou dispergujúcou technológiou pre nanomateriály.
Priemyselné ultrazvukové prístroje Hielscher dokážu spracovať vašu kašu alebo pastu v kontinuálnom in-line reaktore, pokiaľ je možné ju privádzať cez čerpadlo.

Ultrazvuková výroba nanokvapalín oxidu kremičitého

Modragon et al. (2012) pripravili nanokvapaliny oxidu kremičitého pripravené dispergovaním nanočastíc oxidu kremičitého v destilovanej vode pomocou ultrazvukový ultrazvuk sondového typu UP400S. Na výrobu stabilných nanokvapalín oxidu kremičitého s určitým obsahom pevných látok (t. j. 20 %), s nízkou viskozitou a podobným správaním kvapaliny, spočíva vo vysokoenergetickej úprave ultrazvukovou sondou po dobu 5 minút, zásaditých médií (hodnoty pH vyššie ako 7) a bez pridania soli. Ultrazvuková disperzia viedla k nanokvapalinám s nízkou viskozitou. Ultrazvukom pripravené nanokvapaliny sa správali ako kvapalina a boli pripravené s 20 % pevného zaťaženia vo veľmi krátkom čase vďaka dobrej disperzii dosiahnutej sonikáciou.
"Zo všetkých dostupných disperzných metód bola disperzia pomocou ultrazvukových sond potvrdená ako najúčinnejšia." (Modragon a kol., 2012)
Petzold et al. (2009) dospeli k rovnakému záveru pre deaglomeráciu prášku Aerosil a zistili, že ultrazvuková sonda je najúčinnejším disperzným systémom vďaka vysoko zameranej energii.

Ultrazvukové prístroje na deaglomeráciu a disperziu nanočastíc oxidu kremičitého

Keď sa nanooxid kremičitý používa v priemyselných aplikáciách, výskume alebo materiálovej vede, suchý kremičitý prášok musí byť zapracovaný do kvapalnej fázy. Disperzia nano-oxidu kremičitého vyžaduje spoľahlivú a účinnú dispergujúcu techniku, ktorá aplikuje dostatok energie na deaglomeráciu jednotlivých častíc oxidu kremičitého. Ultrazvukové prístroje sú dobre známe ako výkonné a spoľahlivé dispergátory, preto sa používajú na deaglomeráciu a distribúciu rôznych materiálov, ako je oxid kremičitý, nanorúrky, grafén, minerály a mnoho ďalších materiálov homogénne do kvapalnej fázy.

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové dispergátory pre akýkoľvek druh homogenizačných a deaglomeračných aplikácií. Pokiaľ ide o výrobu nanodisperzií, presná kontrola sonikácie a spoľahlivé ultrazvukové ošetrenie suspenzie nanočastíc sú nevyhnutné na získanie vysokovýkonných produktov.
Procesory Hielscher Ultrasonics vám poskytujú plnú kontrolu nad všetkými dôležitými parametrami spracovania, ako je energetický príkon, intenzita ultrazvuku, amplitúda, tlak, teplota a retenčná doba. Parametre tak môžete prispôsobiť optimalizovaným podmienkam, čo následne vedie k vysokokvalitnej nanodisperzii, ako sú nanokremičité suspenzie.
Pre akýkoľvek objem / kapacitu: Spoločnosť Hielscher ponúka ultrazvukové prístroje a široké portfólio príslušenstva. To umožňuje konfiguráciu ideálneho ultrazvukového systému pre vašu aplikáciu a výrobnú kapacitu. Od malých liekoviek s obsahom niekoľkých mililitrov až po veľké objemové prúdy tisícov galónov za hodinu, spoločnosť Hielscher ponúka vhodné ultrazvukové riešenie pre váš proces.
Odolnosť: Naše ultrazvukové systémy sú robustné a spoľahlivé. Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher sú skonštruované pre prevádzku 24/7/365 a vyžadujú veľmi malú údržbu.
Užívateľská prívetivosť: Prepracovaný softvér našich ultrazvukových zariadení umožňuje predbežný výber a uloženie nastavení sonikácie pre jednoduchú a spoľahlivú sonikáciu. Intuitívne menu je ľahko dostupné prostredníctvom digitálneho farebného dotykového displeja. Diaľkové ovládanie prehliadača umožňuje ovládať a monitorovať prostredníctvom ľubovoľného internetového prehliadača. Automatické zaznamenávanie údajov ukladá procesné parametre akejkoľvek sonikácie na vstavanú SD kartu.
Vynikajúca energetická účinnosť: V porovnaní s alternatívnymi disperznými technológiami vynikajú ultrazvukové prístroje Hielscher vynikajúcou energetickou účinnosťou a vynikajúcimi výsledkami v distribúcii veľkosti častíc.

Graf ukazuje významnú výhodu ultrazvukovej disperzie oxidu kremičitého s Hielscherovým UIP1000 v porovnaní s ultra-turraxom. Ultrazvuk vyžaduje menej energie a dosahuje drasticky menšiu veľkosť častíc oxidu kremičitého.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: