Ultraljud deagglomeration av kiseldioxid nanopartiklar

Kiseldioxidnanopartiklar som rökt kiseldioxid (t.ex. Aerosil) är en allmänt använd tillsats inom olika industrier. För att få fullt fungerande nanokiseldioxid med de önskade materialegenskaperna måste nanopartiklarna av kiseldioxid deagglomereras och distribueras som enkeldispergerade partiklar. Ultraljud deagglomeration har visat sig vara en mycket effektiv och tillförlitlig teknik för att fördela nanokiseldioxid likformigt som enkeldispergerade partiklar i en suspension.

nanokiseldioxid – Egenskaper och tillämpningar

Kiseldioxid (SiO₂) och särskilt nanopartiklar av kiseldioxid (Si-NP) är vanliga tillsatser i många industrier. Kiseldioxidpartiklar i nanostorlek har en mycket stor yta och uttrycker unika partikelegenskaper, som används i många industrier för olika ändamål. Till exempel de unika materialegenskaperna hos SiO i nanostorlek₂ används för att förstärka (nano-)kompositer, betong och andra material. Exempel är nanokiseldioxidbaserade beläggningar som erbjuder brandsäkra egenskaper eller glas belagt med nanokiseldioxid som därmed får antireflekterande egenskaper. Inom bygg- och anläggningsindustrin används kiseldioxidrök (mikrokiseldioxid) och nanokiseldioxid som mycket puzzolanmaterial som används för att förbättra bearbetbarheten samt de mekaniska egenskaperna och hållbarhetsegenskaperna hos betong. När kiseldioxidrök och nanokiseldioxid jämförs, visas den nanostrukturerade SiO₂ Pozzolan är mer aktivt i ett tidigt skede än kiseldioxidrök eftersom nanokiseldioxid 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. Gaspermeabiliteten, en indikator för betongs hållbarhet, förbättras i betong som är armerad med nanokiseldioxid jämfört med betong som innehåller traditionell kiseldioxidånga.
Inom biomedicin och life science, SiO₂ Nanopartiklar undersöks i stor utsträckning för olika tillämpningar eftersom den höga ytan, den utmärkta biokompatibiliteten och den justerbara porstorleken hos nanokiseldioxid erbjuder ett brett spektrum av nya tillämpningar, inklusive läkemedelsleverans och teranostik.

Diagrammet visar partikelstorleksfördelningen av nanokiseldioxid före (grön kurva) och efter (röd kurva) ultraljudsdispersion.

Ultraljud deagglomeration och dispersion av nano-kiseldioxid

Arbetsprincipen för ultraljud deagglomeration och dispersion är baserad på effekterna av ultraljudsgenererad kavitation, vetenskapligt känd som akustisk kavitation. Applicering av högeffekts, lågfrekvent ultraljud i vätskor eller slurry kan orsaka akustisk kavitation och därmed extrema förhållanden, som uppstår lokalt som mycket höga tryck och temperaturer, och mikroströmning med vätskestrålar på upp till 280 m/s. Dessa intensiva fysiska och mekaniska effekter av ultraljudskavitation orsakar erosion vid partikelytan samt splittring av partiklar via kollision mellan partiklarna. Dessa intensiva krafter av ultraljud / akustisk kavitation gör ultraljudsbehandling till en mycket effektiv och tillförlitlig metod för deagglomeration och dispersion av nano-storlek partiklar auch som nano-kiseldioxid, nanorör och andra nano material.

Partikelstorleksfördelning av ultraljudsdeagglomererad nanokiseldioxid (med hjälp av Hielscher UP400St ultraljudsapparat) i vatten med a) 1 viktprocent, b) 2 viktprocent, c) 5 viktprocent och d) 10 viktprocent Aerosil 200 med olika tidsintervall.
Studie och grafer: Vikash 2020.

Ultraljudsbehandling av kiseldioxid med höga fasta koncentrationer och i viskösa vätskor

Att dispergera nanopartiklar i låga koncentrationer är redan en utmaning eftersom kemiska bindningskrafter som jonbindningar, kovalenta 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 dispersionsteknik är avgörande för att få goda, långsiktigt stabila dispersionsresultat. Ultraljudsdispergeringsmedel används som en pålitlig och mycket effektiv dispersionsmetod, som lätt kan bearbeta uppslamningar med höga viskositeter och till och med pastor med mycket höga fasta koncentrationer. Förmågan att bearbeta slurrys med höga fasta belastningar av nanopartiklar gör ultraljud till den föredragna dispergeringstekniken för nanomaterial.
Hielscher industriella ultraljudsapparater kan bearbeta din slurry eller pasta i en kontinuerlig in-line reaktor så länge den kan matas via en pump.

Ultraljudsproduktion av kiseldioxid nanovätskor

Modragon et al. (2012) beredda kiseldioxidnanovätskor framställda genom att dispergera kiseldioxidnanopartiklar i destillerat vatten med hjälp av sond-typ ultraljudsapparat UP400S. För att producera stabila kiseldioxidnanovätskor med en viss halt av fasta ämnen (dvs. 20%), med låg viskositet och liknande vätskebeteende, består av en högenergibehandling med en ultraljudssond i 5 minuter, basiska medier (pH-värden högre än 7) och ingen salttillsats. Ultraljudsdispersionen resulterade i nanofluider med låg viskositet. De ultraljudspreparerade nanofluiderna betedde sig som vätska och framställdes med 20% av fast belastning inom en mycket kort tid tack vare den goda dispersionen som uppnåddes med ultraljudsbehandling.
"Av alla tillgängliga dispersionsmetoder har dispersion 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 dispersionssystemet på grund av den mycket fokuserade energi som appliceras.

Ultraljudsapparater för deagglomeration och dispersion av kiseldioxid nanopartiklar

När nanokiseldioxid används i industriella tillämpningar, forskning eller materialvetenskap, måste det torra kiseldioxidpulvret inkorporeras i en flytande fas. Dispersion av nanokiseldioxid kräver en tillförlitlig och effektiv dispergeringsteknik, som använder tillräckligt med energi för att deagglomerera de enskilda kiseldioxidpartiklarna. Ultraljudsapparater är välkända som kraftfulla och pålitliga dispergeringsmedel, därför används för att deagglomerera 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 ultraljudsdispergeringsmedel för alla typer av homogeniserings- och deagglomerationsapplikationer. När det gäller produktion av nano-dispersioner, exakt ultraljudsbehandling kontroll och en tillförlitlig ultraljudsbehandling av nanopartikelsuspensionen är avgörande för att få högpresterande produkter.
Hielscher Ultrasonics processorer ger dig full kontroll över alla viktiga bearbetningsparametrar som energitillförsel, ultraljudsintensitet, amplitud, tryck, temperatur och retentionstid. Därmed kan du justera parametrarna till optimerade förhållanden, vilket i sin tur leder till högkvalitativ nanodispersion som nanokiseldioxidslam.
För alla volymer/kapaciteter: Hielscher erbjuder ultraljudsapparater och en bred portfölj av tillbehör. Detta gör det möjligt att konfigurera det perfekta ultraljudssystemet för din applikation och produktionskapacitet. Från små flaskor som innehåller några milliliter till högvolymströmmar på tusentals liter per timme, Hielscher erbjuder den lämpliga ultraljudslösningen för din process.
Robusthet: Våra ultraljudssystem är robusta och pålitliga. Alla Hielscher ultraljudsapparater är byggda för 24/7/365 drift och kräver mycket lite underhåll.
Användarvänlighet: Utarbetad programvara för våra ultraljudsenheter gör det möjligt att välja och spara ultraljudsbehandling inställningar för en enkel och tillförlitlig ultraljudsbehandling. Den intuitiva menyn är lätt att komma åt via en digital pekskärm i färg. Fjärrkontrollen för webbläsaren gör att du kan använda och övervaka via vilken webbläsare som helst. Automatisk datainspelning sparar processparametrarna för alla ultraljudsbehandling körs på ett inbyggt SD-kort.
Utmärkt energieffektivitet: Jämfört med alternativa dispersionstekniker utmärker sig Hielscher ultraljudsapparater med enastående energieffektivitet och överlägsna resultat i partikelstorleksfördelning.

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

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: