Ультразвукова деагломерація наночастинок кремнезему

Наночастинки кремнезему, такі як піроксідовий кремнезем (наприклад, Aerosil), є широко використовуваною добавкою в різних галузях промисловості. Щоб отримати повністю функціональний нанокремнезем із бажаними характеристиками матеріалу, наночастинки кремнезему необхідно деагломерувати та розподілити як однодисперсні частинки. Ультразвукова деагломерація довела свою високу ефективність і надійність як метод рівномірного розподілу нанокремнезему у вигляді однодисперсних частинок у суспензії.

Нанокремнезем – характеристики та застосування

Кремнезем (SiO₂) та особливо наночастинки кремнезему (Si-NPs) є поширеними добавками у багатьох галузях промисловості. Нанорозмірні частинки кремнезему мають дуже велику площу поверхні та виявляють унікальні характеристики частинок, які використовуються в багатьох галузях для різних цілей. Наприклад, унікальні матеріальні властивості нанорозмірного SiO₂ використовуються для армування (нано-)композитів, бетону та інших матеріалів. Прикладами є покриття на основі нанокремнезему, які надають вогнестійких властивостей, або скло, покрите нанокремнеземом, яке завдяки цьому отримує антирефлексні властивості. У будівельній промисловості мікрокремнезем (мікросиліка) та нанокремнезем використовуються як високопуцолановий матеріал, що застосовується для покращення рухливості, а також механічних і довговічних властивостей бетону. При порівнянні мікрокремнезему та нанокремнезему наноструктурований SiO₂ пуцолан є більш активним на ранній стадії, ніж мікрокремнезем, оскільки нанокремнезем забезпечує значно більшу питому площу поверхні та дисперсність. Більша площа поверхні забезпечує більше місць для реакції з бетоном і сприяє покращенню мікроструктури бетону, діючи як зародок. Газопроникність, індикатор довговічності бетону, покращується в бетоні, армованому нанокремнеземом, порівняно з бетоном, що містить традиційний мікрокремнезем.
У біомедицині та науках про життя SiO₂ наночастинки широко досліджуються для різних застосувань, оскільки висока площа поверхні, чудова біосумісність і регульований розмір пор нанокремнезему відкривають широкий спектр нових застосувань, включаючи доставку ліків та тераностику.

Графік показує розподіл частинок за розміром нанокремнезему до (зелена крива) та після (червона крива) ультразвукової дисперсії.

Ультразвукова деагломерація та дисперсія нанокремнезему

Принцип дії ультразвукової деагломерації та дисперсії базується на ефектах ультразвукової кавітації, науково відомої як акустична кавітація. Застосування високотужного низькочастотного ультразвуку в рідинах або суспензіях може викликати акустичну кавітацію та, відповідно, екстремальні умови, які виникають локально у вигляді дуже високих тисків і температур, а також мікроструменів із рідкими струменями зі швидкістю до 280m/s. Ці інтенсивні фізичні та механічні ефекти ультразвукової кавітації спричиняють ерозію на поверхні частинок, а також руйнування частинок через міжчастинкове зіткнення. Ці інтенсивні сили ультразвукової / акустичної кавітації роблять ультразвукову обробку високоефективним і надійним методом деагломерації та дисперсії нанорозмірних частинок, таких як нанокремнезем, нанотрубки та інші наноматеріали.

Розподіл частинок за розміром ультразвуково деагломерованого нанокремнезему (з використанням ультразвукового апарату Hielscher UP400St) у воді з концентрацією (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% та (d) 10 wt% Aerosil 200 за різних проміжків часу.
Дослідження та графіки: Vikash 2020.

Ультразвукова обробка кремнезему з високим вмістом твердих речовин та у в’язких рідинах

Диспергування наночастинок у низьких концентраціях уже є складним завданням, оскільки необхідно подолати хімічні сили зв’язку, такі як іонні зв’язки, ковалентні зв’язки, водневі зв’язки та взаємодії Ван дер Ваальса. Зі збільшенням концентрації наночастинок, наприклад, частинок нанокремнезему, хімічна взаємодія між наночастинками також значно зростає. Це означає, що потужна техніка диспергування є необхідною для отримання хороших, стабільних у довгостроковій перспективі результатів диспергування. Ультразвукові диспергатори використовуються як надійний та високоефективний метод диспергування, який легко здатний обробляти суспензії з високою в’язкістю та навіть пасти з дуже високою концентрацією твердих речовин. Здатність обробляти суспензії з високим вмістом твердих наночастинок перетворює ультразвукову обробку на переважну технологію диспергування для наноматеріалів.
Промислові ультразвукові обробники Hielscher можуть обробляти вашу суспензію або пасту в безперервному проточному реакторі, якщо їх можна подавати за допомогою насоса.

Ультразвукове виробництво нанорідких кремнеземів

Modragon та ін. (2012) підготували нанорідкі кремнеземи шляхом диспергування наночастинок кремнезему в дистильованій воді за допомогою ультразвукового обробника зондового типу UP400S. Для отримання стабільних нанорідких кремнеземів із певним вмістом твердих речовин (тобто 20%), з низькою в’язкістю та поведінкою, подібною до рідини, необхідна високоенергетична обробка ультразвуковим зондом протягом 5 хвилин, у базовому середовищі (значення pH вище 7) та без додавання солі. Ультразвукове диспергування призвело до отримання нанорідких кремнеземів з низькою в’язкістю. Нанорідкі кремнеземи, отримані за допомогою ультразвуку, поводилися як рідина, і були підготовлені з 20% навантаженням твердих речовин за дуже короткий час завдяки хорошому диспергуванню, досягнутому за допомогою ультразвукової обробки.
«З усіх доступних методів диспергування, диспергування за допомогою ультразвукових зондів було підтверджено як найефективніший» (Modragon et al., 2012)
Petzold та ін. (2009) дійшли такого ж висновку щодо деагломерації порошку Aerosil, виявивши, що ультразвуковий зонд є найефективнішою системою диспергування завдяки високосфокусованій енергії, що застосовується.

Ультразвукові обробники для деагломерації та диспергування наночастинок кремнезему

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

Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та поширює високоефективні ультразвукові диспергатори для будь-яких видів застосувань гомогенізації та деагломерації. Коли мова йде про виробництво нанодисперсій, точний контроль ультразвукової обробки та надійна ультразвукова обробка суспензії наночастинок є необхідними для отримання високоефективних продуктів.
Процесори Hielscher Ultrasonics надають вам повний контроль над усіма важливими параметрами обробки, такими як енерговитрати, інтенсивність ультразвуку, амплітуда, тиск, температура та час утримання. Таким чином, ви можете налаштувати параметри на оптимізовані умови, що згодом призводить до високоякісних нанодисперсій, таких як суспензії нанокремнезему.
Для будь-якого об’єму / потужності: Hielscher пропонує ультразвукові обробники та широкий портфель аксесуарів. Це дозволяє налаштувати ідеальну ультразвукову систему для вашого застосування та виробничої потужності. Від невеликих флаконів, що містять кілька мілілітрів, до потоків високого об’єму тисяч галонів на годину, Hielscher пропонує відповідне ультразвукове рішення для вашого процесу.
Надійність: Наші ультразвукові системи є надійними та стабільними. Усі ультразвукові обробники Hielscher розроблені для роботи 24/7/365 і потребують дуже незначного обслуговування.
Зручність використання: Розроблене програмне забезпечення наших ультразвукових пристроїв дозволяє попередньо вибирати та зберігати параметри ультразвукової обробки для простої та надійної роботи. Інтуїтивне меню легко доступне через цифровий кольоровий сенсорний дисплей. Дистанційне керування через браузер дозволяє експлуатувати та моніторити пристрій за допомогою будь-якого інтернет-браузера. Автоматичний запис даних зберігає параметри процесу будь-якого циклу ультразвукової обробки на вбудованій SD-картці.
Відмінна енергоефективність: У порівнянні з альтернативними технологіями диспергування, ультразвукові обробники Hielscher вирізняються видатною енергоефективністю та найкращими результатами щодо розподілу частинок за розміром.

Графік демонструє значну перевагу ультразвукового диспергування кремнезему за допомогою Hielscher UIP1000 у порівнянні з ultra-turrax. Ультразвукова обробка вимагає менше енергії та досягає різко меншого розміру частинок кремнезему.

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових гомогенізаторів: