Ultraljudsdeagglomerering av kiseldioxidnanopartiklar

Kiseldioxidnanopartiklar såsom pyrogen kiseldioxid (t.ex. Aerosil) är en vanligt förekommande tillsats inom olika industrier. För att erhålla fullt funktionell nanokiseldioxid med önskade materialegenskaper måste kiseldioxidnanopartiklarna deagglomereras och fördelas som enskilt dispergerade partiklar. Ultraljudsdeagglomerering har visat sig vara en mycket effektiv och tillförlitlig teknik för att fördela nanokiseldioxid jämnt som enskilt dispergerade partiklar i en suspension.

Nanokiseldioxid – egenskaper och tillämpningar

Kiseldioxid (SiO₂) och särskilt kiseldioxidnanopartiklar (Si-NPs) är vanliga tillsatser inom många industrier. Kiseldioxidpartiklar i nanostorlek har en mycket stor yta och uppvisar unika partikelegenskaper som utnyttjas inom många industrier för olika ändamål. Till exempel används de unika materialegenskaperna hos SiO₂ i nanostorlek för att förstärka (nano-)kompositer, betong och andra material. Exempel är nanokiseldioxidbaserade beläggningar som ger brandsäkra egenskaper eller glas belagt med nanokiseldioxid som därigenom får antireflexegenskaper. Inom bygg- och anläggningsindustrin används silikastoft (mikrosilika) och nanokiseldioxid som mycket reaktiva puzzolanmaterial för att förbättra betongens bearbetbarhet samt dess mekaniska egenskaper och beständighet. Vid en jämförelse mellan silikastoft och nanokiseldioxid är nanostrukturerat SiO₂ -puzzolan mer aktivt i ett tidigt skede än silikastoft, eftersom nanokiseldioxid har en betydligt större specifik yta och högre finhet. Den större ytan ger fler ställen där reaktioner med betongen kan ske och bidrar specifikt till en förbättrad mikrostruktur i betongen genom att fungera som en kärnbildningspunkt. Gaspermeabiliteten, som är en indikator på betongens beständighet, förbättras i betong som är förstärkt med nanokiseldioxid jämfört med betong som innehåller traditionellt silikastoft.
Inom biomedicin och livsvetenskap undersöks SiO₂ -nanopartiklar i stor utsträckning för olika tillämpningar, eftersom nanokiseldioxidens stora yta, utmärkta biokompatibilitet och justerbara porstorlek möjliggör ett brett spektrum av nya tillämpningar, däribland läkemedelstillförsel och teranostik.

Diagrammet visar partikelstorleksfördelningen för nanokiseldioxid före (grön kurva) och efter (röd kurva) ultraljudsdispergering.

Ultraljudsdeagglomerering och dispergering av nanokiseldioxid

Funktionsprincipen för ultraljudsdeagglomerering och dispergering bygger på effekterna av ultraljudsgenererad kavitation, vetenskapligt benämnd akustisk kavitation. Användning av ultraljud med hög effekt och låg frekvens i vätskor eller suspensioner kan orsaka akustisk kavitation och därigenom extrema förhållanden som uppstår lokalt i form av mycket höga tryck och temperaturer samt mikroströmning med vätskestrålar på upp till 280m/s. Dessa intensiva fysikaliska och mekaniska effekter av ultraljudskavitation orsakar erosion på partikelytan samt sönderslagning av partiklar genom kollisioner mellan partiklar. Dessa intensiva krafter från ultraljudskavitation / akustisk kavitation gör ultraljudsbehandling till en mycket effektiv och tillförlitlig metod för deagglomerering och dispergering av partiklar i nanostorlek, såsom nanokiseldioxid, nanorör och andra nanomaterial.

Partikelstorleksfördelning för ultraljudsdeagglomererad nanokiseldioxid (med användning av ultraljudsapparaten Hielscher UP400St) i vatten med (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% och (d) 10 wt% Aerosil 200 vid olika tidsintervall.
Studie och diagram: Vikash 2020.

Ultraljudsbehandling av kiseldioxid med höga fastämneshalter och i viskösa vätskor

Att dispergera nanopartiklar redan vid låga koncentrationer är en utmaning eftersom kemiska bindningskrafter såsom jonbindningar, kovalenta bindningar, vätebindningar och van der Waals-växelverkningar måste övervinnas. När koncentrationen av nanopartiklar, exempelvis nanokiseldioxidpartiklar, ökar, ökar även den kemiska växelverkan mellan nanopartiklarna avsevärt. Detta innebär att en kraftfull dispergeringsteknik är avgörande för att uppnå goda dispersionsresultat som är stabila på lång sikt. Ultraljudsdispergerare används som en tillförlitlig och mycket effektiv dispergeringsmetod som utan svårighet kan behandla suspensioner med hög viskositet och till och med pastor med mycket höga halter av fasta ämnen. Förmågan att behandla suspensioner med höga halter av fasta nanopartiklar gör ultraljudsbehandling till den föredragna dispergeringstekniken för nanomaterial.
Hielschers industriella ultraljudsapparater kan behandla din suspension eller pasta i en kontinuerlig inline-reaktor så länge den kan matas in med en pump.

Framställning av nanofluider med kiseldioxid med hjälp av ultraljud

Modragon et al. (2012) framställde nanofluider med kiseldioxid genom att dispergera kiseldioxidnanopartiklar i destillerat vatten med ultraljudsapparaten UP400S av sondtyp. För att framställa stabila nanofluider med kiseldioxid med en viss halt av fasta ämnen (dvs. 20%), låg viskositet och vätskeliknande beteende krävs behandling med hög energitillförsel med en ultraljudssond i 5 minuter, basiska medier (pH-värden högre än 7) och ingen tillsats av salt. Ultraljudsdispergeringen resulterade i nanofluider med låg viskositet. De nanofluider som framställdes med ultraljud betedde sig som vätskor och framställdes med en halt av fasta ämnen på 20% på mycket kort tid tack vare den goda dispergering som uppnåddes med ultraljudsbehandlingen.
”Av alla tillgängliga dispergeringsmetoder har dispergering med ultraljudssonder bekräftats vara den mest effektiva.” (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) kom till samma slutsats för deagglomerering av Aerosil-pulver och fann att ultraljudssonden är det mest effektiva dispergeringssystemet tack vare den starkt fokuserade energi som tillförs.

Ultraljudsapparater för deagglomerering och dispergering av kiseldioxidnanopartiklar

När nanokiseldioxid används i industriella tillämpningar, forskning eller materialvetenskap måste det torra kiseldioxidpulvret införlivas i en vätskefas. Dispergering av nanokiseldioxid kräver en tillförlitlig och effektiv dispergeringsteknik som tillför tillräckligt med energi för att deagglomerera de enskilda kiseldioxidpartiklarna. Ultraljudsapparater är välkända som kraftfulla och tillförlitliga dispergerare och används därför för att deagglomerera och homogent fördela olika material såsom kiseldioxid, nanorör, grafen, mineraler och många andra material i en vätskefas.

Hielscher Ultrasonics utvecklar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudsdispergerare för alla typer av homogeniserings- och deagglomereringstillämpningar. Vid framställning av nanodispersioner är exakt styrning av ultraljudsbehandlingen och en tillförlitlig ultraljudsbehandling av nanopartikelsuspensionen avgörande för att erhålla högpresterande produkter.
Processorerna från Hielscher Ultrasonics ger dig full kontroll över alla viktiga processparametrar såsom energitillförsel, ultraljudsintensitet, amplitud, tryck, temperatur och uppehållstid. Därmed kan du justera parametrarna till optimerade förhållanden, vilket i sin tur leder till nanodispersioner av hög kvalitet, såsom nanokiseldioxidsuspensioner.
För alla volymer / kapaciteter: Hielscher erbjuder ultraljudsapparater och ett brett utbud av tillbehör. Detta gör det möjligt att konfigurera det idealiska ultraljudssystemet för din tillämpning och produktionskapacitet. Från små provflaskor som innehåller några få milliliter till stora volymflöden på tusentals gallon per timme erbjuder Hielscher en lämplig ultraljudslösning för din process.
Robusthet: Våra ultraljudssystem är robusta och tillförlitliga. Alla Hielschers ultraljudsapparater är byggda för drift 24/7/365 och kräver mycket lite underhåll.
Användarvänlighet: Den avancerade programvaran i våra ultraljudsenheter gör det möjligt att förvälja och spara inställningar för ultraljudsbehandling för en enkel och tillförlitlig behandling. Den intuitiva menyn är lättillgänglig via en digital pekskärm i färg. Fjärrstyrningen via webbläsare gör att du kan styra och övervaka via valfri webbläsare. Automatisk dataregistrering sparar processparametrarna för varje ultraljudsbehandling på ett inbyggt SD-kort.
Utmärkt energieffektivitet: Jämfört med alternativa dispergeringstekniker utmärker sig Hielschers ultraljudsenheter med enastående energieffektivitet och överlägsna resultat när det gäller partikelstorleksfördelning.

Diagrammet visar den betydande fördelen med ultraljudsdispergering av kiseldioxid med Hielscher UIP1000 jämfört med en ultra-turrax. Ultraljudsbehandling kräver mindre energi och ger drastiskt mindre kiseldioxidpartiklar.

Tabellen nedan ger en indikation på våra ultraljudsenheters ungefärliga bearbetningskapacitet: