Silika Nanoparçacıklarının Ultrasonik Deaglomerasyonu

Pirojenik silika (ör. Aerosil) gibi silika nanoparçacıkları, çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılan katkı maddeleridir. İstenen malzeme özelliklerine sahip, tam işlevsel nanosilika elde etmek için silika nanoparçacıkları deaglomere edilmeli ve ayrı ayrı dağılmış parçacıklar olarak dağıtılmalıdır. Ultrasonik deaglomerasyonun, nanosilikayı bir süspansiyonda ayrı ayrı dağılmış parçacıklar olarak homojen biçimde dağıtmak için son derece verimli ve güvenilir bir teknik olduğu kanıtlanmıştır.

Nanosilika – Özellikleri ve Uygulamaları

Silika (SiO₂) ve özellikle silika nanoparçacıkları (Si-NPs), birçok endüstride yaygın olarak kullanılan katkı maddeleridir. Nano boyutlu silika parçacıkları çok geniş bir yüzey alanı sunar ve birçok endüstride çeşitli amaçlarla yararlanılan benzersiz parçacık özellikleri sergiler. Örneğin, nano boyutlu SiO₂ malzemesinin benzersiz malzeme özelliklerinden (nano-)kompozitleri, betonu ve diğer malzemeleri güçlendirmek için yararlanılır. Yangına dayanıklılık özellikleri sunan nanosilika bazlı kaplamalar veya nanosilika ile kaplanarak yansıma önleyici özellikler kazanan cam buna örnektir. Yapı ve inşaat endüstrisinde silis dumanı (mikrosilika) ve nanosilika, betonun işlenebilirliğinin yanı sıra mekanik özelliklerini ve dayanıklılık özelliklerini iyileştirmek için kullanılan, yüksek puzolanik etkinliğe sahip malzemelerdir. Silis dumanı ile nanosilika karşılaştırıldığında, nano yapılı SiO₂ puzolanı erken aşamada silis dumanından daha aktiftir; çünkü nanosilika, belirgin ölçüde daha geniş bir özgül yüzey alanı ve daha yüksek incelik sunar. Daha geniş yüzey alanı, betonla reaksiyona girebilecek daha fazla bölge sunar ve çekirdek görevi görerek özellikle betonun mikroyapısının iyileşmesine katkıda bulunur. Betonun dayanıklılığının bir göstergesi olan gaz geçirgenliği, geleneksel silis dumanı içeren betona kıyasla nanosilika ile güçlendirilmiş betonda iyileşir.
Biyotıp ve yaşam bilimlerinde SiO₂ nanoparçacıkları farklı uygulamalar için yaygın olarak araştırılmaktadır; çünkü nanosilikanın geniş yüzey alanı, mükemmel biyouyumluluğu ve ayarlanabilir gözenek boyutu, ilaç taşınması ve teranostik dahil olmak üzere çok çeşitli yeni uygulama olanakları sunar.

Grafik, nanosilikanın ultrasonik dispersiyondan önceki (yeşil eğri) ve sonraki (kırmızı eğri) parçacık boyutu dağılımını göstermektedir.

Nanosilikanın Ultrasonik Deaglomerasyonu ve Dispersiyonu

Ultrasonik deaglomerasyon ve dispersiyonun çalışma prensibi, bilimsel olarak akustik kavitasyon adıyla bilinen, ultrasonik olarak oluşturulan kavitasyonun etkilerine dayanır. Sıvılara veya bulamaçlara yüksek güçlü, düşük frekanslı ultrason uygulanması, akustik kavitasyona ve dolayısıyla yerel olarak çok yüksek basınçlar ve sıcaklıklar ile 280m/s’ye kadar ulaşan sıvı jetlerinin eşlik ettiği mikroakış biçiminde ortaya çıkan aşırı koşullara neden olabilir. Ultrasonik kavitasyonun bu yoğun fiziksel ve mekanik etkileri, parçacık yüzeyinde erozyona ve parçacıklar arası çarpışma yoluyla parçacıkların parçalanmasına neden olur. Ultrasonik / akustik kavitasyonun bu yoğun kuvvetleri, sonikasyonu nanosilika, nanotüpler ve diğer nanomalzemeler gibi nano boyutlu parçacıkların deaglomerasyonu ve dispersiyonu için son derece verimli ve güvenilir bir yöntem haline getirir.

Ultrasonik olarak deaglomere edilmiş nanosilika (Hielscher UP400St sonikatörü kullanılarak) için, sudaki (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% ve (d) 10 wt% Aerosil 200’ün farklı zaman aralıklarındaki parçacık boyutu dağılımı.
Çalışma ve grafikler: Vikash 2020.

Silikanın Yüksek Katı Madde Konsantrasyonlarında ve Viskoz Sıvılarda Ultrasonik İşlenmesi

İyonik bağlar, kovalent bağlar, hidrojen bağları ve van der Waals etkileşimleri gibi kimyasal bağ kuvvetlerinin aşılması gerektiğinden, nanoparçacıkları düşük konsantrasyonlarda disperse etmek bile zordur. Nanosilika parçacıkları gibi nanoparçacıkların konsantrasyonu arttıkça, nanoparçacıklar arasındaki kimyasal etkileşim de belirgin ölçüde artar. Bu, iyi ve uzun süre kararlı kalan dispersiyon sonuçları elde etmek için güçlü bir dispersiyon tekniğinin gerekli olduğu anlamına gelir. Ultrasonik disperserler, yüksek viskoziteli bulamaçları ve hatta çok yüksek katı madde konsantrasyonlarına sahip pastaları kolaylıkla işleyebilen, güvenilir ve son derece etkili bir dispersiyon yöntemi olarak kullanılır. Yüksek nanoparçacık katı madde yüklerine sahip bulamaçları işleyebilme yeteneği, ultrasonikasyonu nanomalzemeler için tercih edilen dispersiyon teknolojisi haline getirir.
Hielscher endüstriyel sonikatörleri, bir pompa aracılığıyla beslenebildiği sürece bulamacınızı veya pastanızı sürekli çalışan bir hat içi reaktörde işleyebilir.

Silika Nanoakışkanlarının Ultrasonik Üretimi

Modragon ve ark. (2012), silika nanoparçacıklarını damıtılmış suda dağıtarak silika nanoakışkanları hazırladı ve bunun için UP400S prob tipi sonikatörünü kullandı. Belirli bir katı madde içeriğine (yani %20), düşük viskoziteye ve sıvı benzeri davranışa sahip kararlı silika nanoakışkanları üretmek için gereken koşullar, bir ultrason probuyla 5 dakika boyunca yüksek enerjili işlem uygulanması, bazik ortam (7’den yüksek pH değerleri) ve tuz eklenmemesidir. Ultrasonik dispersiyon sonucunda düşük viskoziteli nanoakışkanlar elde edildi. Ultrasonik olarak hazırlanan nanoakışkanlar sıvı gibi davrandı ve sonikasyonla elde edilen iyi dispersiyon sayesinde çok kısa bir sürede %20 katı madde yüküyle hazırlandı.
“Mevcut tüm dispersiyon yöntemleri arasında, ultrasonik problarla dispersiyonun en etkili yöntem olduğu doğrulanmıştır.“ (Modragon et al., 2012)
Petzold ve ark. (2009), Aerosil tozunun deaglomerasyonu için aynı sonuca vararak ultrasonik probun, uygulanan enerjinin yüksek derecede odaklanması nedeniyle en etkili dispersiyon sistemi olduğunu belirledi.

Silika Nanoparçacıklarının Deaglomerasyonu ve Dispersiyonu için Sonikatörler

Nanosilika endüstriyel uygulamalarda, araştırmalarda veya malzeme biliminde kullanıldığında, kuru silika tozu bir sıvı faza dahil edilmelidir. Nanosilika dispersiyonu, tek tek silika parçacıklarını deaglomere etmek için yeterli enerjiyi uygulayan, güvenilir ve etkili bir dispersiyon tekniği gerektirir. Sonikatörler, güçlü ve güvenilir disperserler olarak iyi bilinir; bu nedenle silika, nanotüpler, grafen, mineraller ve daha birçok malzeme gibi çeşitli malzemeleri deaglomere etmek ve bir sıvı faz içerisinde homojen olarak dağıtmak için kullanılır.

Hielscher Ultrasonics, her türlü homojenizasyon ve deaglomerasyon uygulaması için yüksek performanslı ultrasonik disperserler tasarlar, üretir ve dağıtır. Nanodispersiyonların üretiminde, yüksek performanslı ürünler elde etmek için hassas sonikasyon kontrolü ve nanoparçacık süspansiyonunun güvenilir bir ultrasonik işlemden geçirilmesi gereklidir.
Hielscher Ultrasonics işlemcileri, enerji girdisi, ultrasonik yoğunluk, genlik, basınç, sıcaklık ve kalış süresi gibi tüm önemli işlem parametreleri üzerinde tam kontrol sağlar. Böylece parametreleri optimize edilmiş koşullara ayarlayabilirsiniz; bunun sonucunda nanosilika bulamaçları gibi yüksek kaliteli nanodispersiyonlar elde edilir.
Her türlü hacim / kapasite için: Hielscher, sonikatörler ve geniş bir aksesuar portföyü sunar. Bu, uygulamanız ve üretim kapasiteniz için ideal ultrasonik sistemin yapılandırılmasına olanak tanır. Birkaç mililitre içeren küçük şişelerden saatte binlerce galonluk yüksek hacimli akışlara kadar Hielscher, prosesiniz için uygun ultrasonik çözümü sunar.
Sağlamlık: Ultrasonik sistemlerimiz sağlam ve güvenilirdir. Tüm Hielscher sonikatörleri 24/7/365 çalışma için üretilmiştir ve çok az bakım gerektirir.
Kullanım kolaylığı: Ultrasonik cihazlarımızın gelişmiş yazılımı, basit ve güvenilir bir sonikasyon için sonikasyon ayarlarının önceden seçilmesine ve kaydedilmesine olanak tanır. Sezgisel menüye dijital renkli dokunmatik ekran üzerinden kolayca erişilebilir. Tarayıcı üzerinden uzaktan kontrol, herhangi bir internet tarayıcısıyla cihazı çalıştırmanıza ve izlemenize olanak tanır. Otomatik veri kaydı, her sonikasyon işleminin proses parametrelerini dahili bir SD karta kaydeder.
Mükemmel enerji verimliliği: Alternatif dispersiyon teknolojileriyle karşılaştırıldığında Hielscher sonikatörleri, olağanüstü enerji verimliliği ve parçacık boyutu dağılımında üstün sonuçlarıyla öne çıkar.

Grafik, Hielscher UIP1000 ile silikanın ultrasonik dispersiyonunun bir ultra-turrax ile karşılaştırıldığında belirgin avantajını göstermektedir. Ultrasonikasyon daha az enerji gerektirir ve silika parçacıklarının boyutunu çok daha küçük değerlere indirir.

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bilgi vermektedir: