Kiseldioxidnanopartiklar som rökt kiseldioxid (t.ex. Aerosil) är en allmänt använd tillsats inom olika branscher. För att få fullt fungerande nanosilika med önskade materialegenskaper måste kiseldioxidnanopartiklarna deagglomereras och distribueras som endisperserade partiklar. Ultraljud deagglomeration har visat sig vara en mycket effektiv och tillförlitlig teknik för att distribuera nanosilica enhetligt som endisperserade partiklar i en suspension.

Nanosilica (nanosilica) – Egenskaper och tillämpningar

Kiseldioxid (SiO₂) och särskilt kiseldioxidnanopartiklar (Si-NPs) är vanliga tillsatser inom många branscher. Kiseldioxidpartiklar i nanostorlek erbjuder en mycket stor yta och uttrycker unika partikelegenskaper, som används i många branscher för olika ändamål. Till exempel de unika materialegenskaperna hos sio i nanostorlek₂ tillämpas för att förstärka (nano-)kompositer, betong och andra material. Exempel är nanosilica-baserade beläggningar som erbjuder brandsäkra egenskaper eller glas belagt med nanosilica som därmed får antireflektiva egenskaper. Inom bygg- och anläggningsindustrin används kiseldioxidånga (mikrosilica) och nanosilica som mycket pozzolaniskt material som används för att förbättra användbarheten samt betongens mekaniska egenskaper och hållbarhetsegenskaper. När kiseldioxidånga och nanosilika jämförs kan den nanostrukturerade SiO₂ pozzolan är mer aktiv i ett tidigt skede än kiseldioxidånga eftersom nanosilica erbjuder en betydligt större specifik yta och finhet. Den större ytan erbjuder fler platser att reagera med betongen och bidrar specifikt till en förbättrad betongmikrostruktur genom att fungera som en kärna. Gaspermeabilitet, en indikator på betongens hållbarhet, förbättras i betong som är förstärkt med nano-kiseldioxid i jämförelse med betong som innehåller traditionell kiseldioxidånga.
Inom biomedicin och life science har SiO₂ nanopartiklar undersöks i stor utsträckning för olika tillämpningar eftersom nanosilicas höga yta, utmärkt biokompatibilitet och tunable porstorlek erbjuder ett brett utbud av nya tillämpningar, inklusive läkemedelsleverans och theranostics.

Diagrammet visar partikelstorleksfördelningen av nano-kiseldioxid före (grön kurva) och efter (röd kurva) ultraljudsspridning.

Ultraljud deagglomeration och spridning av Nano-Kiseldioxid

Arbetsprincipen för ultraljud deagglomeration och dispersion är baserad på effekterna av ultraljud genererad kavitation, vetenskapligt känd som akustisk kavitation. Applicering av hög effekt, lågfrekvent ultraljud i vätskor eller slam kan orsaka akustisk kavitation och därmed extrema förhållanden, som uppstår lokalt som mycket höga tryck och temperaturer, och mikroströmmar med flytande jets på upp till 280m/s. Dessa intensiva fysiska och mekaniska effekter av ultraljud kavitation orsakar erosion vid partikelytan samt splittrande av partiklar via inter-partikel kollision. Dessa intensiva krafter av ultraljud / akustisk kavitation gör ultraljudsbehandling en mycket effektiv och pålitlig metod för deagglomeration och spridning av nanostora partiklar auch som nano-kiseldioxid, nanorör och andra nanomaterial.

Partikelstorleksfördelning av ultraljud deagglomererad nano-kiseldioxid (använda Hielscher UP400St ultraljudspump) i vatten av a) 1 wt%, b) 2 wt%, (c) 5 wt%, och (d) 10 wt% Aerosil 200 med olika tidsintervall.
Studie och grafer: Vikash 2020.

Ultraljud bearbetning av kiseldioxid med höga fasta koncentrationer och i viskösa vätskor

Att sprida nanopartiklar vid låga koncentrationer är redan en utmaning eftersom kemiska bindningskrafter som jonbindningar, kovamerade bindningar, vätebindningar och van der Waals-interaktioner måste övervinnas. Med ökande koncentration av nanopartiklar, t.ex. nano-kiseldioxidpartiklar, ökar också den kemiska interaktionen mellan nanopartiklarna avsevärt. Detta innebär att en kraftfull spridningsteknik är nödvändig för att uppnå goda, långsiktiga stabila spridningsresultat. Ultraljud dispersorer används som tillförlitliga och mycket effektiva spridning metod, som är lätt att bearbeta slam med höga viskositeter och även pasta med mycket höga fasta koncentrationer. Förmågan att bearbeta slam med höga fasta laster av nanopartiklar förvandlar ultraljud till den föredragna spridningstekniken för nanomaterial.
Hielscher industriella ultrasonicators kan bearbeta din slam eller pasta i en kontinuerlig in-line reaktor så länge den kan matas via en pump.

Ultraljud produktion av kiseldioxid nanofluider

Modragon et al. (2012) beredda kiseldioxidnanofluider som framställs genom spridning av kiseldioxidnanopartiklar i destillerat vatten med hjälp av sond-typ ultraljudspump UP400S. För att producera stabila kiseldioxidnanofluider med ett visst fast innehåll (dvs. 20 %), med låg viskositet och liknande flytande beteende, består det av en högenergibehandling med ultraljudssond i 5 minuter, basmedier (pH-värden högre än 7) och ingen salt tillsats. Ultraljud dispersion resulterade i nanofluids med låg viskositet. Ultraljud beredda nanofluids betedde sig som flytande och förbereddes med 20% av fast lastning inom en mycket kort tid tack vare den goda dispersion som uppnåtts med ultraljudsbehandling.
"Av alla tillgängliga spridningsmetoder har spridning med ultraljudssonder bekräftats som den mest effektiva." (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) kom till samma slutsats för deagglomeration av Aerosil pulver konstatera att ultraljud sonden är det mest effektiva spridningssystemet på grund av den mycket fokuserade energi som tillämpas.

Ultraljud för deagglomeration och dispersion av kiseldioxid nanopartiklar

När nano-kiseldioxid används i industriella tillämpningar, forskning eller materialvetenskap måste det torra kiseldioxidpulvret i en flytande fas införlivas. Nano-kiseldioxidspridning kräver en tillförlitlig och effektiv spridningsteknik, som applicerar tillräckligt med energi för att deagglomerera de enda kiseldioxidpartiklarna. Ultraljud är välkända som kraftfulla och tillförlitliga spridare, därför används för att deagglomerate och distribuera olika material såsom kiseldioxid, nanorör, grafen, mineraler och många andra material homogent i en flytande fas.

Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudsdisperser för alla typer av homogeniserings- och deagglomerationsapplikationer. När det gäller produktion av nanodispersioner är exakt ultraljudsbehandling kontroll och en tillförlitlig ultraljudsbehandling av nanopartiklar suspension avgörande för att erhålla högpresterande produkter.
Hielscher Ultrasonics processorer ger dig full kontroll över alla viktiga bearbetningsparametrar som energiinmatning, ultraljud intensitet, amplitud, tryck, temperatur och retentionstid. Därmed kan du justera parametrarna till optimerade förhållanden, vilket leder därefter till högkvalitativ nanospridning som nanosilica slam.
För alla volymer/kapaciteter: Hielscher erbjuder ultraljudspumpar och en bred portfölj av tillbehör. Detta möjliggör konfigurationen av det perfekta ultraljudssystemet för din applikation och produktionskapacitet. Från små flaskor som innehåller några milliliter till strömmar med hög volym på tusentals gallon per timme erbjuder Hielscher den lämpliga ultraljudslösningen för din process.
Robusthet: Våra ultraljudssystem är robusta och pålitliga. Alla Hielscher ultrasonicators är byggda för 24/7/365 drift och kräver mycket lite underhåll.
Användarvänlighet: Utarbetad programvara av våra ultraljud enheter möjliggör förval och sparande av ultraljudsbehandling inställningar för en enkel och tillförlitlig ultraljudsbehandling. Den intuitiva menyn är lättillgänglig via en digital färgad pekskärm. Fjärrkontrollen låter dig styra och övervaka via vilken webbläsare som helst. Automatisk datainspelning sparar processparametrarna för all ultraljudsbehandling som körs på ett inbyggt SD-kort.
Utmärkt energieffektivitet: Jämfört med alternativa spridningstekniker utmärker sig Hielscher ultrasonicators med enastående energieffektivitet och överlägsna resultat i partikelstorleksfördelning.

Diagrammet visar den betydande fördelen med ultraljud spridning av kiseldioxid med Hielscher UIP1000 jämfört med en ultra-turrax. Ultraljud kräver mindre energi och uppnår drastiskt mindre partiklar storlek på kiseldioxid.

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera: