Ультразвукова деагломерація наночастинок кремнезему

Наночастинки кремнезему, такі як димчастий кремнезем (наприклад, Aerosil), є широко використовуваною добавкою в різних галузях промисловості. Для того, щоб отримати повністю функціональний нанокремнезем з бажаними характеристиками матеріалу, наночастинки кремнезему повинні бути деагломеровані та розподілені у вигляді однодисперсних частинок. Доведено, що ультразвукова деагломерація є високоефективним і надійним методом рівномірного розподілу нанокремнезему у вигляді однодисперсних частинок у вигляді суспензії.

нанодіоксид кремнію – Характеристики та застосування

Діоксид кремнію (SiO₂) і особливо наночастинки кремнезему (Si-NPs) є поширеними добавками в багатьох галузях промисловості. Нанорозмірні частинки кремнезему мають дуже велику площу поверхні та виражають унікальні характеристики частинок, які використовуються в багатьох галузях промисловості для різних цілей. Наприклад, унікальні властивості матеріалів нанорозмірних SiO₂ застосовуються з метою армування (нано-)композитів, бетону та інших матеріалів. Прикладами можуть служити покриття на основі нанокремнезему, які мають вогнетривкі властивості, або скло, покрите нанокремнеземом, яке набуває тим самим антивідблискові властивості. У будівельній галузі дим кремнезему (мікрокремнезем) і нанокремнезем використовуються як високопуццолановий матеріал, який використовується для підвищення легкоукладальності, а також механічних і довговічних властивостей бетону. Коли порівнювати дим кремнезему та нанокремнезем, наноструктурований SiO₂ Пуццолан більш активний на ранніх стадіях, ніж кремнезем, оскільки нанокремнезем має значно більшу питому поверхню та тонкість. Більша площа поверхні пропонує більше місць для взаємодії з бетоном і сприяє вдосконаленню мікроструктури бетону, діючи як ядро. Газопроникність, показник довговічності бетону, поліпшується в бетоні, армованому нанокремнеземом, в порівнянні з бетоном, що містить традиційний кремнеземний дим.
У біомедицині та науках про життя SiO₂ Наночастинки широко досліджуються для різних застосувань, оскільки висока площа поверхні, відмінна біосумісність і розмір пір, що налаштовується, пропонують широкий спектр нових застосувань, включаючи доставку ліків і тераностику.

На діаграмі показаний розподіл частинок нанокремнезему за розміром до (зелена крива) і після (червона крива) ультразвукової дисперсії.

Ультразвукова деагломерація та диспергування нанокремнезему

Принцип роботи ультразвукової деагломерації та диспергування заснований на впливі ультразвукової кавітації, науково відомої як акустична кавітація. Застосування високопотужного низькочастотного ультразвуку в рідинах або суспензіях може спричинити акустичну кавітацію і, отже, екстремальні умови, які виникають локально у вигляді дуже високих тисків і температур, а також мікропотокового руху зі струменями рідини зі швидкістю до 280 м/с. Ці інтенсивні фізико-механічні ефекти ультразвукової кавітації викликають ерозію на поверхні частинок, а також руйнування частинок через зіткнення між частинками. Ці інтенсивні сили ультразвукової / акустичної кавітації роблять ультразвук високоефективним і надійним методом деагломерації та диспергування нанорозмірних частинок у вигляді нанокремнезему, нанотрубок та інших наноматеріалів.

Гранулометричний склад ультразвуково деагломерованого нанокремнезему (використання ультразвукового апарату Hielscher UP400St) у воді (а) 1 мас.%, (б) 2 мас.%, (в) 5 мас.% і (г) 10 мас.% Аеросил 200 через різні проміжки часу.
Дослідження та графіки: Вікаш 2020.

Ультразвукова обробка кремнезему з високою концентрацією твердих речовин і в в'язких рідинах

Диспергування наночастинок при низьких концентраціях вже є складним завданням, оскільки необхідно подолати хімічні сили зв'язку, такі як іонні зв'язки, ковалентні зв'язки, водневі зв'язки та ван-дер-ваальсові взаємодії. Зі збільшенням концентрації наночастинок, наприклад, частинок нанокремнезему, значно збільшується і хімічна взаємодія між наночастинками. Це означає, що потужна дисперсійна техніка необхідна для отримання хороших, довгострокових стабільних результатів дисперсії. В якості надійного і високоефективного методу дисперсії використовуються ультразвукові диспергатори, які легко здатні обробляти суспензії з високою в'язкістю і навіть пасти з дуже високою концентрацією твердих речовин. Можливість обробляти суспензії з високими твердими навантаженнями наночастинок перетворює ультразвук на кращу технологію диспергування для наноматеріалів.
Промислові ультразвукові апарати Hielscher можуть обробляти вашу суспензію або пасту в безперервному вбудованому реакторі за умови, що вони можуть подаватися через насос.

Ультразвукове виробництво кремнеземних нанорідин

Modragon et al. (2012) підготували нанорідини кремнезему, приготовані шляхом диспергування наночастинок кремнезему в дистильованій воді за допомогою зондовий ультразвуковий апарат UP400S. Для отримання стабільних кремнеземних нанорідин з певним вмістом твердих речовин (тобто 20%), з низькою в'язкістю та поведінкою, схожою на рідину, потрібна високоенергетична обробка за допомогою ультразвукового зонда протягом 5 хвилин, основних середовищ (значення pH вище 7) і без додавання солі. В результаті ультразвукового дисперсування отримали нанорідини з низькою в'язкістю. Ультразвуково приготовані нанорідини поводилися як рідина і були приготовані з 20% твердого навантаження за дуже короткий час завдяки хорошій дисперсності, досягнутій за допомогою ультразвуку.
«З усіх доступних методів дисперсії диспергування за допомогою ультразвукових зондів було підтверджено як найбільш ефективний». (Модрагон та ін., 2012)
Petzold et al. (2009) прийшли до такого ж висновку щодо деагломерації порошку Aerosil, виявивши, що ультразвуковий зонд є найбільш ефективною дисперсійною системою завдяки прикладеній високофокусованій енергії.

Ультразвукові апарати для деагломерації та диспергування наночастинок кремнезему

Коли нанокремнезем використовується в промислових додатках, дослідженнях або матеріалознавстві, сухий порошок кремнезему повинен бути включений у рідку фазу. Диспергування нанокремнезему вимагає надійної та ефективної техніки диспергування, яка застосовує достатньо енергії для деагломерації окремих частинок кремнезему. Ультразвукові апарати добре відомі як потужні та надійні диспергатори, тому використовуються для деагломерації та однорідного розподілу різних матеріалів, таких як кремнезем, нанотрубки, графен, мінерали та багато інших матеріалів, у рідку фазу.

Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та розповсюджує високоефективні ультразвукові диспергатори для будь-яких видів гомогенізації та деагломерації. Коли справа доходить до виробництва нанодисперсій, точний контроль ультразвуку та надійна ультразвукова обробка суспензії наночастинок мають важливе значення для отримання високопродуктивних продуктів.
Процесори Hielscher Ultrasonics дають вам повний контроль над усіма важливими параметрами обробки, такими як вхідна енергія, інтенсивність ультразвуку, амплітуда, тиск, температура та час утримання. Таким чином, ви можете налаштувати параметри під оптимізовані умови, що згодом призводить до високоякісної нанодисперсії, такої як нанокремнеземні суспензії.
Для будь-якого обсягу / ємності: Hielscher пропонує ультразвукові апарати та широкий асортимент аксесуарів. Це дозволяє конфігурувати ідеальну ультразвукову систему для вашого застосування та виробничих потужностей. Від невеликих флаконів, що містять кілька мілілітрів, до потоків великого об'єму в тисячі галонів на годину, Hielscher пропонує відповідне ультразвукове рішення для вашого процесу.
Надійності: Наші ультразвукові системи міцні та надійні. Всі ультразвукові апарати Hielscher створені для роботи 24/7/365 і вимагають дуже незначного обслуговування.
Зручність у використанні: Розроблене програмне забезпечення наших ультразвукових апаратів дозволяє здійснювати попередній вибір і збереження налаштувань ультразвуку для простого і надійного проведення ультразвукового дослідження. Інтуїтивно зрозуміле меню легко доступне за допомогою цифрового кольорового сенсорного дисплея. Віддалене керування браузером дозволяє керувати та контролювати через будь-який інтернет-браузер. Автоматичний запис даних зберігає параметри процесу будь-якого ультразвукового дослідження, виконаного на вбудованій SD-карті.
Відмінна енергоефективність: У порівнянні з альтернативними дисперсійними технологіями, ультразвукові апарати Hielscher відрізняються видатною енергоефективністю та чудовими результатами розподілу частинок за розміром.

Діаграма показує значну перевагу ультразвукової диспергії кремнезему за допомогою UIP1000 Hielscher у порівнянні з ультратурраксом. Ультразвук вимагає менше енергії і дозволяє досягти значно меншого розміру частинок кремнезему.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: