Vloga ultrazvočnega homogenizatorja pri disperziji nano-silicijevega dioksida

Disperzijski učinek ultrazvočnih homogenizatorjev temelji predvsem na "učinku ultrazvočne kavitacije", ki v povezavi z mehanskim striženjem in akustičnimi motnjami pretoka doseže prečiščevanje in disperzijo delcev. Njegov glavni mehanizem lahko razdelimo na tri stopnje: najprej ultrazvočni generator proizvaja visoko{1}}frekvenčne zvočne valove 15kHz-1MHz, ki se prenašajo v disperzijski medij prek ultrazvočnega amplitudnega transformatorja (glava oddajnika). Drugič, ko se zvočni valovi širijo v tekočem mediju, nastanejo izmenjujoča se območja visokega{6}}tlaka in nizkega{8}}tlaka. V območju nizkega{10}}tlaka se tekočina raztegne, da nastane veliko število drobnih vakuumskih mehurčkov (kavitacijski mehurčki). Ti mehurčki se hitro razširijo in se močno sesedejo pod pritiskom območja visokega{12}}tlaka. Nazadnje, v trenutku sesedanja mehurčka, na zelo majhnem lokalnem območju nastanejo udarni valovi s tlaki do več tisoč atmosfer, visoko{16}}hitrosti mikro curkov (hitrost do 100 m/s) in lokalne ekstremne temperature (do 5000 K). Te energije delujejo skupaj, da razbijejo in enakomerno razpršijo agregate nano-silicijevega dioksida v mediju. V primerjavi z mehanskim mešanjem so delci izpostavljeni manjši mehanski udarni sili, manj verjetno je, da bodo postali ploščati, in lahko dobijo disperzijski sistem s koničasto porazdelitvijo velikosti delcev.

Nano-agregate silicijevega dioksida delimo na mehke agregate (ki jih tvorijo šibke sile, kot so van der Waalsove sile in vodikove vezi) in trde agregate (ki jih tvorijo kemične vezi med delci). S tradicionalnimi metodami, kot sta mehansko mešanje in visoko{2}}hitrostno centrifugiranje, je težko popolnoma razgraditi trde agregate in so nagnjeni k sekundarni aglomeraciji. Učinek kavitacije in mikro curki, ki jih ustvarjajo ultrazvočni homogenizatorji, lahko natančno delujejo na notranje vrzeli agregatov, tako da strgajo strukturo agregata od znotraj kot »miniaturno kladivo«. Tako mehke kot trde agregate je mogoče učinkovito razgraditi na posamezne nano-delce silicijevega dioksida ali majhne-agregate (običajno razpršene na raven prvotne velikosti delcev). Na primer, pri disperziji nano-silicijevega dioksida v vodni raztopini lahko po ultrazvočni homogenizaciji prvotno aglomerirane delce dispergiramo v monodisperzni sistem z enotno velikostjo delcev. Zaznavanje z laserskim analizatorjem velikosti delcev kaže, da je mogoče porazdelitev velikosti delcev znatno zožiti in indeks polidisperznosti (PDI) zmanjšati pod 0,2, s čimer se v celoti izkoristi prednost specifične površine nanodelcev. Medtem lahko ultrazvočni homogenizator prilagaja parametre, kot sta izhodna moč in amplituda, glede na značilnosti vzorca in se prilagaja disperzijskim potrebam nano-silicijevega dioksida različnih koncentracij in medijev. Ne glede na to, ali gre za majhen vzorec iz epruvete v laboratoriju ali visoko{14}}goščo z visoko viskoznostjo v industrijski proizvodnji, lahko doseže učinkovito disperzijo.

Disperzijski učinek nano-silicijevega dioksida neposredno določa obseg njegovih nano-učinkov in vrednost uporabe. Ultrazvočni homogenizatorji s svojim edinstvenim delovnim mehanizmom, ki temelji na kavitaciji, igrajo ključno vlogo pri razbijanju aglomeratov, zaviranju sekundarne aglomeracije, optimizaciji enakomernosti disperzije in pomoči pri modifikaciji površine, zaradi česar so nepogrešljiv ključni del opreme v procesu disperzije nano-silicijevega dioksida. Njihova visoka učinkovitost, varčevanje z energijo, delovanje-brez onesnaževanja in močna prilagodljivost so privedli do njihove široke uporabe v kompozitnih materialih, premazih, cementu, biomedicini in na drugih področjih, kar učinkovito spodbuja razvoj industrije nano-silicijevega dioksida.