Ultrazvočna deaglomeracija nanodelcev silicijevega dioksida

Nanodelci silicijevega dioksida, kot je pirogeni silicijev dioksid (npr. Aerosil), so široko uporabljan dodatek v različnih panogah. Za pridobitev popolnoma funkcionalnega nanosilicijevega dioksida z želenimi lastnostmi materiala je treba nanodelce silicijevega dioksida deaglomerirati in porazdeliti kot posamično dispergirane delce. Ultrazvočna deaglomeracija se je izkazala za zelo učinkovito in zanesljivo tehniko za enakomerno porazdelitev nanosilicijevega dioksida v suspenziji v obliki posamično dispergiranih delcev.

Nanosilicijev dioksid – lastnosti in uporaba

Silicijev dioksid (SiO₂) in zlasti nanodelci silicijevega dioksida (Si-NPs) so pogosti dodatki v številnih panogah. Delci silicijevega dioksida nanometrske velikosti imajo zelo veliko površino in izkazujejo edinstvene lastnosti delcev, ki se v številnih panogah uporabljajo za različne namene. Edinstvene lastnosti SiO₂ nanometrske velikosti se na primer uporabljajo za ojačitev (nano)kompozitov, betona in drugih materialov. Primeri so premazi na osnovi nanosilicijevega dioksida, ki zagotavljajo ognjevarne lastnosti, ali steklo, prevlečeno z nanosilicijevim dioksidom, ki s tem pridobi antirefleksijske lastnosti. V gradbeništvu se mikrosilika in nanosilicijev dioksid uporabljata kot material z visoko pucolansko aktivnostjo za izboljšanje obdelovalnosti ter mehanskih lastnosti in trajnosti betona. Pri primerjavi mikrosilike in nanosilicijevega dioksida je nanostrukturirani SiO₂ kot pucolan v zgodnji fazi aktivnejši od mikrosilike, saj nanosilicijev dioksid zagotavlja bistveno večjo specifično površino in večjo finost. Večja površina zagotavlja več mest za reakcijo z betonom in z delovanjem kot nukleacijsko jedro posebej prispeva k izboljšani mikrostrukturi betona. Prepustnost za pline, ki je kazalnik trajnosti betona, je pri betonu, ojačenem z nanosilicijevim dioksidom, izboljšana v primerjavi z betonom, ki vsebuje tradicionalno mikrosiliko.
V biomedicini in vedah o življenju se nanodelci SiO₂ obsežno raziskujejo za različne uporabe, saj velika površina, odlična biokompatibilnost in nastavljiva velikost por nanosilicijevega dioksida omogočajo širok nabor novih uporab, vključno z dostavo zdravil in teranostiko.

Graf prikazuje porazdelitev velikosti delcev nanosilicijevega dioksida pred ultrazvočnim dispergiranjem (zelena krivulja) in po njem (rdeča krivulja).

Ultrazvočna deaglomeracija in dispergiranje nanosilicijevega dioksida

Načelo delovanja ultrazvočne deaglomeracije in dispergiranja temelji na učinkih ultrazvočno ustvarjene kavitacije, ki je znanstveno znana kot akustična kavitacija. Uporaba visokozmogljivega nizkofrekvenčnega ultrazvoka v tekočinah ali suspenzijah lahko povzroči akustično kavitacijo in s tem ekstremne razmere, ki se lokalno pojavijo v obliki zelo visokih tlakov in temperatur ter mikropretakanja s curki tekočine s hitrostjo do 280m/s. Ti intenzivni fizikalni in mehanski učinki ultrazvočne kavitacije povzročajo erozijo na površini delcev in drobljenje delcev zaradi medsebojnih trkov. Zaradi teh intenzivnih sil ultrazvočne / akustične kavitacije je sonikacija zelo učinkovita in zanesljiva metoda za deaglomeracijo in dispergiranje delcev nanometrske velikosti, kot so nanosilicijev dioksid, nanocevke in drugi nanomateriali.

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

Ultrazvočna obdelava silicijevega dioksida pri visokih koncentracijah trdnih snovi in v viskoznih tekočinah

Dispergiranje nanodelcev že pri nizkih koncentracijah predstavlja izziv, saj je treba premagati sile kemijskih vezi, kot so ionske vezi, kovalentne vezi, vodikove vezi in van der Waalsove interakcije. Z naraščajočo koncentracijo nanodelcev, npr. delcev nanosilicijevega dioksida, se znatno povečajo tudi kemijske interakcije med nanodelci. To pomeni, da je za doseganje dobrih, dolgoročno stabilnih rezultatov dispergiranja nujna zmogljiva tehnika dispergiranja. Ultrazvočni dispergatorji se uporabljajo kot zanesljiva in zelo učinkovita metoda dispergiranja, s katero je mogoče brez težav obdelovati suspenzije z visoko viskoznostjo in celo paste z zelo visokimi koncentracijami trdnih snovi. Zaradi zmožnosti obdelave suspenzij z visoko vsebnostjo trdnih nanodelcev je sonikacija prednostna tehnologija dispergiranja nanomaterialov.
Industrijske ultrazvočne naprave Hielscher lahko vašo suspenzijo ali pasto obdelujejo v neprekinjenem pretočnem reaktorju, če jo je mogoče dovajati s črpalko.

Ultrazvočna proizvodnja nanofluidov s silicijevim dioksidom

Modragon in sod. (2012) so pripravili nanofluide s silicijevim dioksidom, pripravljene z dispergiranjem nanodelcev silicijevega dioksida v destilirani vodi z uporabo ultrazvočne naprave s sondo UP400S. Za pripravo stabilnih nanofluidov s silicijevim dioksidom z določeno vsebnostjo trdnih snovi (tj. 20%), nizko viskoznostjo in obnašanjem, značilnim za tekočine, so potrebni visokoenergijska obdelava z ultrazvočno sondo 5 minut, bazični medij (vrednosti pH nad 7) in odsotnost dodajanja soli. Z ultrazvočnim dispergiranjem so nastali nanofluidi z nizko viskoznostjo. Ultrazvočno pripravljeni nanofluidi so se obnašali kot tekočina in so bili zaradi dobrega dispergiranja, doseženega s sonikacijo, pripravljeni z 20% vsebnostjo trdnih snovi v zelo kratkem času.
»Med vsemi razpoložljivimi metodami dispergiranja je bilo dispergiranje z ultrazvočnimi sondami potrjeno kot najučinkovitejše.« (Modragon in sod., 2012)
Petzold in sod. (2009) so pri deaglomeraciji prahu Aerosil prišli do enakega zaključka in ugotovili, da je ultrazvočna sonda zaradi močno usmerjene vnesene energije najučinkovitejši sistem za dispergiranje.

Ultrazvočne naprave za deaglomeracijo in dispergiranje nanodelcev silicijevega dioksida

Pri uporabi nanosilicijevega dioksida v industriji, raziskavah ali znanosti o materialih je treba suh prah silicijevega dioksida vključiti v tekočo fazo. Dispergiranje nanosilicijevega dioksida zahteva zanesljivo in učinkovito tehniko dispergiranja, ki vnese dovolj energije za deaglomeracijo posameznih delcev silicijevega dioksida. Ultrazvočne naprave so dobro znane kot zmogljivi in zanesljivi dispergatorji, zato se uporabljajo za deaglomeracijo in homogeno porazdelitev različnih materialov, kot so silicijev dioksid, nanocevke, grafen, minerali in številni drugi materiali, v tekoči fazi.

Hielscher Ultrasonics načrtuje, izdeluje in distribuira visokozmogljive ultrazvočne dispergatorje za vse vrste uporabe pri homogenizaciji in deaglomeraciji. Pri proizvodnji nanodisperzij sta natančen nadzor sonikacije in zanesljiva ultrazvočna obdelava suspenzije nanodelcev bistvena za pridobivanje visokozmogljivih 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. Tako lahko parametre prilagodite optimalnim pogojem, kar nato vodi do visokokakovostnih nanodisperzij, kot so suspenzije nanosilicijevega dioksida.
Za vsak volumen / vsako zmogljivost: Hielscher ponuja ultrazvočne naprave in širok nabor dodatne opreme. To omogoča konfiguracijo idealnega ultrazvočnega sistema za vašo uporabo in proizvodno zmogljivost. Od majhnih vial, ki vsebujejo nekaj mililitrov, do velikih volumenskih pretokov več tisoč galon na uro Hielscher ponuja ustrezno ultrazvočno rešitev za vaš proces.
Robustnost: Naši ultrazvočni sistemi so robustni in zanesljivi. Vse ultrazvočne naprave Hielscher so izdelane za delovanje 24/7/365 in potrebujejo zelo malo vzdrževanja.
Prijaznost do uporabnika: Dovršena programska oprema naših ultrazvočnih naprav omogoča predhodno izbiro in shranjevanje nastavitev sonikacije za preprosto in zanesljivo sonikacijo. Intuitivni meni je preprosto dostopen prek digitalnega barvnega zaslona na dotik. Daljinsko upravljanje prek brskalnika omogoča upravljanje in spremljanje prek katerega koli spletnega brskalnika. Samodejno beleženje podatkov shrani procesne parametre vsake izvedbe sonikacije na vgrajeno kartico SD.
Odlična energijska učinkovitost: V primerjavi z alternativnimi tehnologijami dispergiranja ultrazvočne naprave Hielscher izstopajo z izjemno energijsko učinkovitostjo in vrhunskimi rezultati pri porazdelitvi velikosti delcev.

Graf prikazuje znatno prednost ultrazvočnega dispergiranja silicijevega dioksida z napravo Hielscher UIP1000 v primerjavi z napravo ultra-turrax. Sonikacija zahteva manj energije in doseže drastično manjšo velikost delcev silicijevega dioksida.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav: