Ултразвучна деагломерација наночестица силицијум-диоксида

Наночестице силицијум-диоксида, као што је пирогени силицијум-диоксид (нпр. Aerosil), широко су коришћен адитив у различитим индустријама. Да би се добио потпуно функционалан наносилицијум-диоксид са жељеним својствима материјала, наночестице силицијум-диоксида морају се деагломерисати и распоредити као појединачно дисперговане честице. Доказано је да је ултразвучна деагломерација веома ефикасна и поуздана техника за равномерно распоређивање наносилицијум-диоксида у суспензији у облику појединачно диспергованих честица.

Наносилицијум-диоксид – својства и примене

Силицијум-диоксид (SiO₂) и нарочито наночестице силицијум-диоксида (Si-NPs) уобичајени су адитиви у многим индустријама. Честице силицијум-диоксида нанометарских димензија имају веома велику површину и јединствена својства честица, која се користе у многим индустријама за различите намене. На пример, јединствена својства материјала SiO₂ нанометарских димензија користе се за ојачавање (нано)композита, бетона и других материјала. Примери су премази на бази наносилицијум-диоксида који пружају ватроотпорна својства или стакло премазано наносилицијум-диоксидом које тиме добија антирефлексна својства. У грађевинарству се силицијумска прашина (микросилика) и наносилицијум-диоксид користе као материјали са високом пуцоланском активношћу за побољшање обрадивости, као и механичких својстава и трајности бетона. При поређењу силицијумске прашине и наносилицијум-диоксида, наноструктурирани SiO₂ пуцолан је активнији у раној фази од силицијумске прашине јер наносилицијум-диоксид има знатно већу специфичну површину и финоћу. Већа површина обезбеђује више места за реакцију са бетоном и посебно доприноси побољшању микроструктуре бетона делујући као језгро нуклеације. Гасопропустљивост, показатељ трајности бетона, побољшана је код бетона ојачаног наносилицијум-диоксидом у поређењу са бетоном који садржи традиционалну силицијумску прашину.
У биомедицини и наукама о животу, SiO₂ наночестице се интензивно истражују за различите примене јер велика површина, одлична биокомпатибилност и подесива величина пора наносилицијум-диоксида омогућавају широк спектар нових примена, укључујући испоруку лекова и тераностику.

Графикон приказује расподелу величине честица наносилицијум-диоксида пре (зелена крива) и после (црвена крива) ултразвучног дисперговања.

Ултразвучна деагломерација и дисперговање наносилицијум-диоксида

Принцип рада ултразвучне деагломерације и дисперговања заснива се на ефектима кавитације генерисане ултразвуком, у науци познате као акустична кавитација. Примена ултразвука велике снаге и ниске фреквенције у течностима или суспензијама може изазвати акустичну кавитацију, а тиме и екстремне услове који се локално јављају као веома високи притисци и температуре, као и микрострујање са млазевима течности брзине до 280m/s. Ови интензивни физички и механички ефекти ултразвучне кавитације изазивају ерозију на површини честица, као и разбијање честица услед међусобних судара. Ове интензивне силе ултразвучне / акустичне кавитације чине соникацију веома ефикасном и поузданом методом за деагломерацију и дисперговање честица нанометарских димензија, као што су наносилицијум-диоксид, наноцеви и други наноматеријали.

Расподела величине честица ултразвучно деагломерисаног наносилицијум-диоксида (уз употребу ултразвучног уређаја Hielscher UP400St) у води са (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% и (d) 10 wt% Aerosil 200 у различитим временским интервалима.
Студија и графикони: Vikash 2020.

Ултразвучна обрада силицијум-диоксида при високим концентрацијама чврсте фазе и у вискозним течностима

Дисперговање наночестица чак и при ниским концентрацијама представља изазов јер се морају савладати силе хемијског везивања, као што су јонске везе, ковалентне везе, водоничне везе и Ван дер Валсове интеракције. Са повећањем концентрације наночестица, нпр. наночестица силицијум-диоксида, знатно се повећавају и хемијске интеракције између наночестица. То значи да је снажна техника дисперговања неопходна за постизање добрих, дугорочно стабилних дисперзија. Ултразвучни диспергатори користе се као поуздан и веома ефикасан метод дисперговања, који омогућава лаку обраду суспензија високе вискозности, па чак и паста са веома високим концентрацијама чврсте материје. Могућност обраде суспензија са високим садржајем чврстих наночестица чини ултразвучну обраду преферираном технологијом дисперговања наноматеријала.
Индустријски ултразвучни уређаји Hielscher могу да обрађују вашу суспензију или пасту у континуалном проточном реактору све док се она може доводити пумпом.

Ултразвучна производња нанофлуида силицијум-диоксида

Modragon и сар. (2012) припремили су нанофлуиде силицијум-диоксида дисперговањем наночестица силицијум-диоксида у дестилованој води помоћу ултразвучног уређаја UP400S са сондом. За производњу стабилних нанофлуида силицијум-диоксида са одређеним садржајем чврсте материје (тј. 20%), ниском вискозношћу и понашањем сличним течности, потребни су високоенергетски третман ултразвучном сондом у трајању од 5 минута, базна средина (pH вредности веће од 7) и одсуство додавања соли. Ултразвучним дисперговањем добијени су нанофлуиди ниске вискозности. Ултразвучно припремљени нанофлуиди понашали су се као течност и припремљени су са 20% садржаја чврсте материје за веома кратко време захваљујући добром дисперговању постигнутом соникацијом.
„Од свих доступних метода дисперговања, дисперговање ултразвучним сондама потврђено је као најефикасније.“ (Modragon и сар., 2012)
Petzold и сар. (2009) дошли су до истог закључка за деагломерацију праха Aerosil, утврдивши да је ултразвучна сонда најефикаснији систем за дисперговање због примене високо фокусиране енергије.

Ултразвучни уређаји за деагломерацију и дисперговање наночестица силицијум-диоксида

Када се нано-силицијум-диоксид користи у индустријским применама, истраживањима или науци о материјалима, суви прах силицијум-диоксида мора се унети у течну фазу. Дисперговање нано-силицијум-диоксида захтева поуздану и ефикасну технику дисперговања која примењује довољно енергије да се агломерати разложе на појединачне честице силицијум-диоксида. Ултразвучни уређаји добро су познати као снажни и поуздани диспергатори, па се стога користе за деагломерацију и хомогено распоређивање различитих материјала, као што су силицијум-диоксид, наноцеви, графен, минерали и многи други материјали, у течној фази.

Hielscher Ultrasonics пројектује, производи и дистрибуира ултразвучне диспергаторе високих перформанси за све врсте примена хомогенизације и деагломерације. Када је реч о производњи нанодисперзија, прецизна контрола соникације и поуздана ултразвучна обрада суспензије наночестица неопходне су за добијање производа високих перформанси.
Процесори компаније Hielscher Ultrasonics пружају вам потпуну контролу над свим важним параметрима обраде, као што су унос енергије, интензитет ултразвука, амплитуда, притисак, температура и време задржавања. Тиме можете да подесите параметре тако да обезбеде оптимизоване услове, што затим доводи до висококвалитетних нанодисперзија, као што су суспензије нано-силицијум-диоксида.
За сваку запремину / капацитет: Hielscher нуди ултразвучне уређаје и широк асортиман додатне опреме. То омогућава конфигурисање идеалног ултразвучног система за вашу примену и производни капацитет. Од малих бочица које садрже неколико милилитара до токова велике запремине од више хиљада галона на сат, Hielscher нуди одговарајуће ултразвучно решење за ваш процес.
Робусност: Наши ултразвучни системи су робусни и поуздани. Сви ултразвучни уређаји Hielscher направљени су за рад 24/7/365 и захтевају веома мало одржавања.
Једноставност употребе: Напредан софтвер наших ултразвучних уређаја омогућава претходни избор и чување подешавања соникације за једноставну и поуздану соникацију. Интуитивни мени је лако доступан преко дигиталног екрана у боји осетљивог на додир. Даљинско управљање преко прегледача омогућава вам да управљате уређајем и надгледате његов рад преко било ког интернет прегледача. Аутоматско бележење података чува процесне параметре сваког циклуса соникације на уграђеној SD картици.
Одлична енергетска ефикасност: У поређењу са алтернативним технологијама дисперговања, ултразвучни уређаји Hielscher истичу се изузетном енергетском ефикасношћу и супериорним резултатима у погледу расподеле величине честица.

Графикон показује значајну предност ултразвучног дисперговања силицијум-диоксида уређајем Hielscher UIP1000 у поређењу са уређајем ultra-turrax. Ултразвучна обрада захтева мање енергије и постиже драстично мању величину честица силицијум-диоксида.

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: