Ultrazvočna deaglomeracija nanodelcev silicijevega dioksida

Nanodelci silicijevega dioksida, kot je dimljeni silicijev dioksid (npr. Aerosil), so pogosto uporabljen dodatek v različnih industrijah. Da bi dobili popolnoma funkcionalen nanosilicijev dioksid z želenimi lastnostmi materiala, je treba nanodelce silicijevega dioksida deaglomerirati in porazdeliti kot enojno razpršene delce. Ultrazvočna deaglomeracija se je izkazala za zelo učinkovito in zanesljivo tehniko za enakomerno porazdelitev nanosilicijevega dioksida kot enojno dispergiranih delcev v suspenziji.

Nanosilicijev dioksid – Značilnosti in aplikacije

Silicijev dioksid (SiO₂) in zlasti nanodelci silicijevega dioksida (Si-NP) so pogosti dodatki v številnih industrijskih panogah. Nano-veliki delci silicijevega dioksida ponujajo zelo veliko površino in izražajo edinstvene lastnosti delcev, ki se uporabljajo v številnih industrijah za različne namene. Na primer, edinstvene lastnosti materiala nano-velikosti SiO₂ se uporabljajo za ojačitev (nano)kompozitov, betona in drugih materialov. Primeri so premazi na osnovi nanosilicijevega dioksida, ki ponujajo ognjevarne lastnosti, ali steklo, prevlečeno z nanosilicijevim dioksidom, ki s tem pridobi antirefleksne lastnosti. V gradbeništvu se silicijev dim (mikrosilicijev dioksid) in nanosilicijev dioksid uporabljata kot visoko pucolanski material, ki se uporablja za izboljšanje obdelovalnosti ter mehanskih in vzdržljivostnih lastnosti betona. Pri primerjavi silicijevega dioksida in nanosilicijevega dioksida nanostrukturirani SiO₂ Pucolan je bolj aktiven v zgodnji fazi kot dim silicijevega dioksida, saj ima nanosilicijev dioksid bistveno večjo specifično površino in finost. Večja površina ponuja več mest za reakcijo z betonom in posebej prispeva k izboljšani mikrostrukturi betona, saj deluje kot jedro. Prepustnost plina, kazalnik trajnosti betona, je izboljšana v betonu, ki je ojačan z nano-silicijevim dioksidom v primerjavi z betonom, ki vsebuje tradicionalne silicijeve dlape.
V biomedicini in znanosti o življenju, SiO₂ Nanodelci so široko raziskani za različne aplikacije, saj velika površina, odlična biokompatibilnost in nastavljiva velikost por nanosilicijevega dioksida ponujajo široko paleto novih aplikacij, vključno z dostavo zdravil in teranostiko.

Grafikon prikazuje porazdelitev velikosti delcev nano-silicijevega dioksida pred (zelena krivulja) in po (rdeča krivulja) ultrazvočne disperzije.

Ultrazvočna deaglomeracija in disperzija nano-silicijevega dioksida

Načelo delovanja ultrazvočne deaglomeracije in disperzije temelji na učinkih ultrazvočno ustvarjene kavitacije, znanstveno znane kot akustična kavitacija. Uporaba visokozmogljivega, nizkofrekvenčnega ultrazvoka v tekočinah ali suspenzijah lahko povzroči akustično kavitacijo in s tem ekstremne pogoje, ki se pojavljajo lokalno kot zelo visoki tlaki in temperature, ter mikrotok s tekočimi curki do 280 m / s. Ti intenzivni fizikalni in mehanski učinki ultrazvočne kavitacije povzročajo erozijo na površini delcev in razbijanje delcev s trkom med delci. Zaradi teh intenzivnih sil ultrazvočne / akustične kavitacije je ultrazvočna obdelava zelo učinkovita in zanesljiva metoda za deaglomeracijo in disperzijo nano-velikih delcev kot nano-silicijev dioksid, nanocevke in drugi nano materiali.

Porazdelitev velikosti delcev ultrazvočno deaglomeriranega nanosilicijevega dioksida (z uporabo ultrazvočnega aparata Hielscher UP400St) v vodi (a) 1 mas.%, (b) 2 mas.%, (c) 5 mas.% in (d) 10 mas.% Aerosil 200 v različnih časovnih intervalih.
Študija in grafi: Vikash 2020.

Ultrazvočna obdelava silicijevega dioksida z visokimi koncentracijami trdnih snovi in v viskoznih tekočinah

Razprševanje nanodelcev pri nizkih koncentracijah je že izziv, saj je treba premagati kemične vezivne sile, kot so ionske vezi, kovalentne vezi, vodikove vezi in van der Waalsove interakcije. Z naraščajočo koncentracijo nanodelcev, npr. nano-silicijevih delcev, se znatno poveča tudi kemična interakcija med nanodelci. To pomeni, da je močna disperzijska tehnika bistvenega pomena za doseganje dobrih, dolgoročno stabilnih rezultatov disperzije. Ultrazvočni razpršilniki se uporabljajo kot zanesljiva in zelo učinkovita disperzijska metoda, ki je zlahka sposobna obdelati gnojevke z visoko viskoznostjo in celo paste z zelo visokimi koncentracijami trdnih snovi. Sposobnost obdelave gnojevk z visokimi trdnimi obremenitvami nano-delcev spremeni ultrazvočno razbijanje v prednostno disperzijsko tehnologijo za nanomateriale.
Hielscher industrijski ultrazvočni aparati lahko obdelajo vašo gnojevko ali pasto v neprekinjenem linijskem reaktorju, dokler se lahko napaja s črpalko.

Ultrazvočna proizvodnja silicijevih nanofluidov

Modragon et al. (2012) so pripravili silicijeve nanofluide, pripravljene z razprševanjem nanodelcev silicijevega dioksida v destilirani vodi z uporabo ultrazvočni zvočnik tipa sonde UP400S. Za proizvodnjo stabilnih silicijevih nanofluidov z določeno vsebnostjo trdnih snovi (tj. 20 %), z nizko viskoznostjo in podobnim obnašanjem tekočine je sestavljena iz visokoenergijske obdelave z ultrazvočno sondo za 5 minut, bazičnih medijev (pH vrednosti višje od 7) in brez dodajanja soli. Ultrazvočna disperzija je povzročila nanofluide z nizko viskoznostjo. Ultrazvočno pripravljeni nanofluidi so se obnašali kot tekoči in so bili pripravljeni z 20% trdne obremenitve v zelo kratkem času, zahvaljujoč dobri disperziji, doseženi z ultrazvočnim razbijanjem.
"Od vseh razpoložljivih disperzijskih metod je bila disperzija z ultrazvočnimi sondami potrjena kot najučinkovitejša." (Modragon et al., 2012)
(2009) so prišli do istega zaključka za deaglomeracijo prahu Aerosil in ugotovili, da je ultrazvočna sonda najučinkovitejši disperzijski sistem zaradi zelo usmerjene energije.

Ultrazvočni aparati za deaglomeracijo in disperzijo nanodelcev silicijevega dioksida

Kadar se nano-silicijev dioksid uporablja v industrijskih aplikacijah, raziskavah ali znanosti o materialih, je treba suhi silicijev prah vključiti v tekočo fazo. Disperzija nano-silicijevega dioksida zahteva zanesljivo in učinkovito disperzijsko tehniko, ki uporablja dovolj energije za deaglomeracijo posameznih delcev silicijevega dioksida. Ultrazvočni aparati so znani kot močni in zanesljivi razpršilniki, zato se uporabljajo za homogeno deaglomeracijo in distribucijo različnih materialov, kot so silicijev dioksid, nanocevke, grafen, minerali in številni drugi materiali.

Hielscher Ultrasonics načrtuje, proizvaja in distribuira visoko zmogljive ultrazvočne razpršilnike za vse vrste homogenizacije in deaglomeracije. Ko gre za proizvodnjo nano-disperzij, je natančen nadzor ultrazvočne obdelave in zanesljiva ultrazvočna obdelava suspenzije nanodelcev bistvenega pomena za pridobitev visoko zmogljivih izdelkov.
Procesorji Hielscher Ultrasonics vam omogočajo popoln nadzor nad vsemi pomembnimi parametri obdelave, kot so vnos energije, ultrazvočna intenzivnost, amplituda, tlak, temperatura in zadrževalni čas. S tem lahko parametre prilagodite optimiziranim pogojem, kar posledično vodi do visokokakovostne nano-disperzije, kot so nanosilicijeve suspenzije.
Za poljubno prostornino / zmogljivost: Hielscher ponuja ultrazvočne aparate in širok nabor dodatne opreme. To omogoča konfiguracijo idealnega ultrazvočnega sistema za vašo aplikacijo in proizvodne zmogljivosti. Od majhnih vial, ki vsebujejo nekaj mililitrov, do velikih volumnov tokov tisoč litrov na uro, Hielscher ponuja primerno ultrazvočno rešitev za vaš proces.
Robustnosti: Naši ultrazvočni sistemi so robustni in zanesljivi. Vsi Hielscher ultrazvočni aparati so izdelani za delovanje 24/7/365 in zahtevajo zelo malo vzdrževanja.
Prijaznost do uporabnika: Izdelana programska oprema naših ultrazvočnih naprav omogoča predizbiro in shranjevanje nastavitev ultrazvočnih naprav za preprosto in zanesljivo ultrazvočno razbijanje Intuitivni meni je enostavno dostopen prek digitalnega barvnega zaslona na dotik. Daljinsko upravljanje brskalnika vam omogoča upravljanje in spremljanje prek katerega koli internetnega brskalnika. Samodejno snemanje podatkov shrani procesne parametre vsake ultrazvočne vožnje na vgrajeno kartico SD.
Odlična energetska učinkovitost: V primerjavi z alternativnimi disperzijskimi tehnologijami se Hielscher ultrazvočni aparati odlikujejo z izjemno energetsko učinkovitostjo in vrhunskimi rezultati pri porazdelitvi velikosti delcev.

Grafikon prikazuje pomembno prednost ultrazvočne disperzije silicijevega dioksida s Hielscherjevim UIP1000 v primerjavi z ultra-turraxom. Ultrasonication zahteva manj energije in doseže drastično manjšo velikost delcev silicijevega dioksida.

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: