Phá kết tụ các hạt nano silica bằng siêu âm

Các hạt nano silica như silica khói (ví dụ: Aerosil) là phụ gia được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Để thu được silica nano có đầy đủ chức năng với các đặc tính vật liệu mong muốn, các hạt nano silica phải được phá kết tụ và phân bố dưới dạng các hạt phân tán riêng lẻ. Phá kết tụ bằng siêu âm đã được chứng minh là một kỹ thuật có hiệu quả cao và đáng tin cậy để phân bố đồng đều silica nano dưới dạng các hạt phân tán riêng lẻ trong huyền phù.

Silica nano – Đặc tính và ứng dụng

Silica (SiO₂) và đặc biệt là các hạt nano silica (Si-NPs) là những phụ gia phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp. Các hạt silica có kích thước nano có diện tích bề mặt rất lớn và thể hiện những đặc tính hạt độc đáo, được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp cho các mục đích khác nhau. Ví dụ, các tính chất vật liệu độc đáo của SiO₂ ở kích thước nano được ứng dụng để gia cường vật liệu composite (nano), bê tông và các vật liệu khác. Ví dụ bao gồm các lớp phủ trên cơ sở silica nano có đặc tính chống cháy hoặc kính được phủ silica nano nhờ đó có đặc tính chống phản xạ. Trong ngành xây dựng, muội silica (microsilica) và silica nano được sử dụng làm vật liệu có hoạt tính pozzolan cao để cải thiện tính công tác cũng như các tính chất cơ học và độ bền lâu của bê tông. Khi so sánh muội silica và silica nano, vật liệu pozzolan SiO₂ có cấu trúc nano có hoạt tính cao hơn muội silica ở giai đoạn đầu vì silica nano có diện tích bề mặt riêng và độ mịn lớn hơn đáng kể. Diện tích bề mặt lớn hơn tạo ra nhiều vị trí phản ứng với bê tông hơn và góp phần cụ thể vào việc cải thiện cấu trúc vi mô của bê tông bằng cách đóng vai trò làm mầm tạo nhân. Độ thấm khí, một chỉ số về độ bền lâu của bê tông, được cải thiện trong bê tông gia cường bằng silica nano so với bê tông chứa muội silica truyền thống.
Trong y sinh học và khoa học sự sống, các hạt nano SiO₂ được nghiên cứu rộng rãi cho nhiều ứng dụng khác nhau vì diện tích bề mặt lớn, khả năng tương thích sinh học tuyệt vời và kích thước lỗ xốp có thể điều chỉnh của silica nano mở ra nhiều ứng dụng mới, bao gồm phân phối thuốc và kết hợp chẩn đoán với điều trị.

Biểu đồ cho thấy phân bố kích thước hạt của silica nano trước (đường cong màu xanh lá cây) và sau (đường cong màu đỏ) khi phân tán bằng siêu âm.

Phá kết tụ và phân tán silica nano bằng siêu âm

Nguyên lý hoạt động của quá trình phá kết tụ và phân tán bằng siêu âm dựa trên các tác động của hiện tượng xâm thực do siêu âm tạo ra, được biết đến trong khoa học là xâm thực âm học. Việc áp dụng siêu âm công suất cao, tần số thấp trong chất lỏng hoặc huyền phù có thể gây ra xâm thực âm học và từ đó tạo ra các điều kiện cực đoan, xuất hiện cục bộ dưới dạng áp suất và nhiệt độ rất cao cùng với các dòng chảy vi mô có tia chất lỏng đạt tốc độ lên đến 280m/s. Những tác động vật lý và cơ học mạnh mẽ này của xâm thực siêu âm gây xói mòn bề mặt hạt cũng như làm vỡ các hạt thông qua va chạm giữa các hạt. Những lực mạnh mẽ này của xâm thực siêu âm / âm học khiến xử lý siêu âm trở thành một phương pháp có hiệu quả cao và đáng tin cậy để phá kết tụ và phân tán các hạt có kích thước nano như silica nano, ống nano và các vật liệu nano khác.

Phân bố kích thước hạt của silica nano được phá kết tụ bằng siêu âm (sử dụng máy siêu âm Hielscher UP400St) trong nước với nồng độ Aerosil 200 là (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% và (d) 10 wt% tại các khoảng thời gian khác nhau.
Nghiên cứu và đồ thị: Vikash 2020.

Xử lý silica bằng siêu âm ở nồng độ chất rắn cao và trong chất lỏng có độ nhớt cao

Việc phân tán các hạt nano ở nồng độ thấp vốn đã là một thách thức vì phải thắng được các lực liên kết hóa học như liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết hydro và tương tác van der Waals. Khi nồng độ các hạt nano, chẳng hạn như hạt nano silica, tăng lên, tương tác hóa học giữa các hạt nano cũng tăng đáng kể. Điều này có nghĩa là một kỹ thuật phân tán mạnh là thiết yếu để đạt được kết quả phân tán tốt và ổn định lâu dài. Thiết bị phân tán siêu âm được sử dụng như một phương pháp phân tán đáng tin cậy và có hiệu quả cao, có thể dễ dàng xử lý các huyền phù có độ nhớt cao và thậm chí cả các chất dạng nhão có nồng độ chất rắn rất cao. Khả năng xử lý huyền phù chứa hàm lượng hạt nano rắn cao khiến xử lý siêu âm trở thành công nghệ phân tán được ưu tiên cho vật liệu nano.
Các thiết bị siêu âm công nghiệp của Hielscher có thể xử lý huyền phù hoặc chất dạng nhão của bạn trong thiết bị phản ứng liên tục trên đường ống, miễn là vật liệu có thể được cấp vào bằng bơm.

Sản xuất chất lưu nano silica bằng siêu âm

Modragon và cộng sự (2012) đã điều chế chất lưu nano silica bằng cách phân tán các hạt nano silica trong nước cất bằng thiết bị siêu âm dạng đầu dò UP400S. Để tạo ra chất lưu nano silica ổn định với hàm lượng chất rắn nhất định (tức là 20%), có độ nhớt thấp và đặc tính chảy như chất lỏng, cần xử lý bằng đầu dò siêu âm ở mức năng lượng cao trong 5 phút, trong môi trường kiềm (giá trị pH cao hơn 7) và không bổ sung muối. Quá trình phân tán bằng siêu âm tạo ra chất lưu nano có độ nhớt thấp. Các chất lưu nano được điều chế bằng siêu âm có đặc tính chảy như chất lỏng và được điều chế với hàm lượng chất rắn 20% trong thời gian rất ngắn nhờ khả năng phân tán tốt đạt được bằng xử lý siêu âm.
“Trong tất cả các phương pháp phân tán hiện có, phân tán bằng đầu dò siêu âm đã được xác nhận là phương pháp hiệu quả nhất.“ (Modragon và cộng sự, 2012)
Petzold và cộng sự (2009) cũng đi đến kết luận tương tự đối với việc phá kết tụ bột Aerosil, nhận thấy rằng đầu dò siêu âm là hệ thống phân tán hiệu quả nhất nhờ năng lượng được truyền vào có mức độ tập trung cao.

Thiết bị siêu âm để phá kết tụ và phân tán các hạt nano silica

Khi nano silica được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, nghiên cứu hoặc khoa học vật liệu, bột silica khô phải được đưa vào pha lỏng. Việc phân tán nano silica đòi hỏi một kỹ thuật phân tán đáng tin cậy và hiệu quả, cung cấp đủ năng lượng để phá kết tụ thành các hạt silica riêng lẻ. Thiết bị siêu âm được biết đến rộng rãi là thiết bị phân tán mạnh và đáng tin cậy, do đó được sử dụng để phá kết tụ và phân bố đồng đều nhiều loại vật liệu như silica, ống nano, graphene, khoáng chất và nhiều vật liệu khác trong pha lỏng.

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối các thiết bị phân tán siêu âm hiệu năng cao cho mọi loại ứng dụng đồng nhất hóa và phá kết tụ. Khi sản xuất các hệ phân tán nano, việc kiểm soát chính xác quá trình siêu âm và xử lý huyền phù hạt nano bằng siêu âm một cách đáng tin cậy là thiết yếu để thu được các sản phẩm có hiệu năng cao.
Các thiết bị xử lý của Hielscher Ultrasonics cho phép bạn kiểm soát hoàn toàn tất cả các thông số xử lý quan trọng như năng lượng đầu vào, cường độ siêu âm, biên độ, áp suất, nhiệt độ và thời gian lưu. Nhờ đó, bạn có thể điều chỉnh các thông số về điều kiện tối ưu để thu được các hệ phân tán nano chất lượng cao, chẳng hạn như huyền phù nano silica.
Cho mọi thể tích / công suất xử lý: Hielscher cung cấp các thiết bị siêu âm và danh mục phụ kiện đa dạng. Điều này cho phép cấu hình hệ thống siêu âm lý tưởng cho ứng dụng và công suất sản xuất của bạn. Từ các lọ nhỏ chứa vài mililít đến các dòng chảy thể tích lớn hàng nghìn gallon mỗi giờ, Hielscher cung cấp giải pháp siêu âm phù hợp cho quy trình của bạn.
Độ bền: Các hệ thống siêu âm của chúng tôi bền bỉ và đáng tin cậy. Tất cả các thiết bị siêu âm Hielscher đều được chế tạo để vận hành 24/7/365 và cần rất ít bảo trì.
Tính dễ sử dụng: Phần mềm được phát triển kỹ lưỡng cho các thiết bị siêu âm của chúng tôi cho phép chọn trước và lưu các thiết lập xử lý siêu âm để việc xử lý siêu âm diễn ra đơn giản và đáng tin cậy. Có thể dễ dàng truy cập menu trực quan qua màn hình cảm ứng màu kỹ thuật số. Chức năng điều khiển từ xa qua trình duyệt cho phép bạn vận hành và giám sát qua bất kỳ trình duyệt internet nào. Chức năng ghi dữ liệu tự động lưu các thông số quá trình của mỗi lần xử lý siêu âm vào thẻ SD tích hợp.
Hiệu suất năng lượng xuất sắc: Khi so sánh với các công nghệ phân tán khác, các thiết bị siêu âm Hielscher nổi bật với hiệu suất năng lượng vượt trội và kết quả ưu việt về phân bố kích thước hạt.

Biểu đồ cho thấy ưu thế đáng kể của việc phân tán silica bằng siêu âm với Hielscher UIP1000 khi so sánh với thiết bị ultra-turrax. Xử lý siêu âm cần ít năng lượng hơn và tạo ra các hạt silica có kích thước nhỏ hơn rất nhiều.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: