Siêu âm Deagglomeration của hạt nano silica

Các hạt nano silica như silica bốc khói (ví dụ: Aerosil) là một chất phụ gia được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau. Để có được nanosilica đầy đủ chức năng với các đặc tính vật liệu mong muốn, các hạt nano silica phải được phân tụ và phân phối dưới dạng các hạt phân tán đơn. Giải tụ siêu âm đã được chứng minh là một kỹ thuật hiệu quả cao và đáng tin cậy để phân phối nanosilica đồng đều dưới dạng các hạt phân tán đơn trong huyền phù.

nanosilica – Đặc điểm và ứng dụng

Silica (SiO₂) và đặc biệt là các hạt nano silica (Si-NPs) là các chất phụ gia phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp. Các hạt silica có kích thước nano cung cấp diện tích bề mặt rất lớn và thể hiện các đặc tính hạt độc đáo, được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp cho nhiều mục đích khác nhau. Ví dụ, các đặc tính vật liệu độc đáo của SiO kích thước nano₂ được áp dụng để gia cố vật liệu tổng hợp, bê tông và các vật liệu khác. Ví dụ như lớp phủ dựa trên nanosilica có đặc tính chống cháy hoặc thủy tinh phủ nanosilica đạt được đặc tính chống phản chiếu. Trong ngành xây dựng và xây dựng, silica fume (microsilica) và nanosilica được sử dụng làm vật liệu có độ bền cao được sử dụng để tăng cường khả năng thi công cũng như các đặc tính cơ học và độ bền của bê tông. Khi so sánh silica fume và nanosilica, SiO có cấu trúc nano₂ Pozzolan hoạt động mạnh hơn ở giai đoạn đầu so với silica fume vì nanosilica cung cấp diện tích bề mặt riêng và độ mịn lớn hơn đáng kể. Diện tích bề mặt lớn hơn cung cấp nhiều vị trí hơn để phản ứng với bê tông và góp phần đặc biệt vào việc cải thiện cấu trúc vi mô bê tông bằng cách hoạt động như một hạt nhân. Độ thấm khí, một chỉ số về độ bền của bê tông, được cải thiện trong bê tông được gia cố bằng nano-silica so với bê tông có chứa khói silica truyền thống.
Trong y sinh và khoa học đời sống, SiO₂ Các hạt nano được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng khác nhau vì diện tích bề mặt cao, khả năng tương thích sinh học tuyệt vời và kích thước lỗ rỗng có thể điều chỉnh được của nanosilica cung cấp một loạt các ứng dụng mới bao gồm phân phối thuốc và thần kinh.

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

Giải kết tụ siêu âm và phân tán Nano-Silica

Nguyên lý hoạt động của quá trình khử kết tụ và phân tán bằng sóng siêu âm dựa trên tác động của quá trình xâm thực được tạo ra bằng sóng siêu âm, được gọi một cách khoa học là xâm thực âm thanh. Việc áp dụng siêu âm công suất cao, tần số thấp trong chất lỏng hoặc bùn có thể gây ra hiện tượng xâm thực âm thanh và do đó các điều kiện khắc nghiệt, xảy ra cục bộ dưới dạng áp suất và nhiệt độ rất cao, và microstream với các tia chất lỏng lên đến 280m / s. Những tác động vật lý và cơ học mạnh mẽ này của quá trình xâm thực siêu âm gây xói mòn bề mặt hạt cũng như vỡ các hạt thông qua va chạm giữa các hạt. Những lực xâm thực siêu âm / âm thanh mạnh mẽ này làm cho siêu âm trở thành một phương pháp hiệu quả cao và đáng tin cậy để giải kết tụ và phân tán các hạt có kích thước nano như nano-silica, ống nano và các vật liệu nano khác.

Phân bố kích thước hạt của nano-silica khử kết tụ siêu âm (sử dụng máy siêu âm Hielscher UP400St) trong nước (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt%, và (d) 10% trọng lượng Aerosil 200 ở các khoảng thời gian khác nhau.
Nghiên cứu và biểu đồ: Vikash 2020.

Xử lý siêu âm silica với nồng độ rắn cao và trong chất lỏng nhớt

Phân tán các hạt nano ở nồng độ thấp đã là một thách thức vì các lực liên kết hóa học như liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết hydro và tương tác van der Waals phải được khắc phục. Với nồng độ ngày càng tăng của các hạt nano, ví dụ như các hạt nano-silica, tương tác hóa học giữa các hạt nano cũng tăng lên đáng kể. Điều này có nghĩa là một kỹ thuật phân tán mạnh mẽ là điều cần thiết để có được kết quả phân tán tốt, ổn định lâu dài. Máy phân tán siêu âm được sử dụng như một phương pháp phân tán đáng tin cậy và hiệu quả cao, có khả năng dễ dàng xử lý bùn có độ nhớt cao và thậm chí cả bột nhão có nồng độ rắn rất cao. Khả năng xử lý bùn có tải trọng rắn cao của các hạt nano biến siêu âm thành công nghệ phân tán ưa thích cho vật liệu nano.
Máy siêu âm công nghiệp Hielscher có thể xử lý bùn hoặc bột nhão của bạn trong một lò phản ứng trong dây chuyền liên tục miễn là nó có thể được cấp thông qua máy bơm.

Sản xuất siêu âm của chất lỏng nano silica

Modragon et al. (2012) đã điều chế chất lỏng nano silica được điều chế bằng cách phân tán các hạt nano silica trong nước cất bằng cách sử dụng máy siêu âm loại đầu dò UP400S. Để sản xuất chất lỏng nano silica ổn định với hàm lượng rắn nhất định (tức là 20%), với độ nhớt thấp và hành vi giống như chất lỏng, bao gồm xử lý năng lượng cao bằng đầu dò siêu âm trong 5 phút, môi trường cơ bản (giá trị pH cao hơn 7) và không thêm muối. Sự phân tán siêu âm dẫn đến chất lỏng nano có độ nhớt thấp. Các chất lỏng nano được chuẩn bị siêu âm hoạt động như chất lỏng và được chuẩn bị với 20% tải rắn trong một thời gian rất ngắn nhờ sự phân tán tốt đạt được với sonication.
"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 et al. (2009) đã đi đến kết luận tương tự về quá trình giải tụ bột Aerosil phát hiện ra rằng đầu dò siêu âm là hệ thống phân tán hiệu quả nhất do năng lượng tập trung cao được áp dụng.

Máy siêu âm để khử 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 kết hợp vào pha lỏng. Phân tán nano-silica đòi hỏi một kỹ thuật phân tán đáng tin cậy và hiệu quả, áp dụng đủ năng lượng để phân tụ các hạt silica đơn lẻ. Máy siêu âm nổi tiếng là chất phân tán mạnh mẽ và đáng tin cậy, do đó được sử dụng để phân tụ và phân phối các vật liệu khác nhau như silica, ống nano, graphene, khoáng chất và nhiều vật liệu khác đồng nhất thành pha lỏng.

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối máy phân tán siêu âm hiệu suất cao cho bất kỳ loại ứng dụng đồng nhất và khử kết tụ nào. Khi nói đến việc sản xuất các chất phân tán nano, kiểm soát siêu âm chính xác và xử lý siêu âm đáng tin cậy của huyền phù hạt nano là điều cần thiết để có được các sản phẩm hiệu suất cao.
Bộ xử lý của Hielscher Ultrasonic 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 giữ. Qua đó, bạn có thể điều chỉnh các thông số theo các điều kiện tối ưu, dẫn đến sự phân tán nano chất lượng cao như bùn nanosilica.
Đối với bất kỳ khối lượng / công suất: Hielscher cung cấp máy siêu âm và một danh mục phụ kiện phong phú. Điều này cho phép cấu hình hệ thống siêu âm lý tưởng cho ứng dụng và năng lực sản xuất của bạn. Từ các lọ nhỏ chứa vài ml đến các dòng thể tích lớn hàng nghìn gallon mỗi giờ, Hielscher cung cấp giải pháp siêu âm phù hợp cho quy trình của bạn.
Mạnh mẽ: Hệ thống siêu âm của chúng tôi là mạnh mẽ và đáng tin cậy. Tất cả các ultrasonicators Hielscher được xây dựng cho hoạt động 24/7/365 và yêu cầu bảo trì rất ít.
Thân thiện với người dùng: Phần mềm xây dựng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi cho phép lựa chọn trước và lưu các cài đặt sonication cho một sonication đơn giản và đáng tin cậy. Menu trực quan có thể dễ dàng truy cập thông qua màn hình cảm ứng màu kỹ thuật số. Điều khiển trình duyệt từ xa cho phép bạn vận hành và giám sát thông qua bất kỳ trình duyệt internet nào. Ghi dữ liệu tự động lưu các tham số quá trình của bất kỳ sonication chạy trên thẻ SD tích hợp.
Hiệu quả năng lượng tuyệt vời: Khi so sánh với các công nghệ phân tán thay thế, máy siêu âm Hielscher vượt trội với hiệu quả năng lượng vượt trội và kết quả vượt trội trong phân bố kích thước hạt.

Biểu đồ cho thấy lợi thế đáng kể của sự phân tán siêu âm silica với Hielscher UIP1000 khi so sánh với siêu turrax. Siêu âm đòi hỏi ít năng lượng hơn và đạt được kích thước hạt silica nhỏ hơn đáng kể.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: