Das Dispergieren von Silica (SiO2) mittels Ultraschall

Silica wird aufgrund seiner Abriebsfestigkeit, elektrischen Isolierung und seiner hohen thermischen Stabilität in vielen verschiedenen Industriebranchen eingesetzt. Durch das Dispergieren mittels Ultraschall wird die Qualität der Dispersion gesteigert, wodurch sich das Potenzial der Silica besser ausschöpfen lässt.

Silica-Anwendungen

Bei Silica (SiO₂) handelt es sich um ein multi-funktionales Keramikmaterial, welches in verschiedenen Industrien dazu verwendet wird, die Oberflächeneigenschaften und die mechanischen Eigenschaften diverser Materialien zu verbessern. Dabei wird es vielen Produktformulationen - beispielweise Farben, Lacken und Beschichtungen, Kunststoffen, Kunstfasern, Adhesivklebemitteln, Abdichtungsmitteln oder Isolationsmaterialien - als Füllstoff, Additivstoff, Rheologie-Modifikator oder Verarbeitungshilfsmittel zugesetzt. Vor allem Beton werden Silicastaub (Silicafume/ amorphes Silikondioxid) oder Mikrosilica zugesetzt, um die Betonstärke und Haltbarkeit zu verbessern. Silicafume wird auch bei der Herstellung von Feuerbeton verwendet, um die Porosität zu reduzieren und um die Stärke durch eine verbesserte Partikelpackung zu erhöhen.

Silica-Dispersionen

Es gibt eine große Auswahl hydrophiler und hydrophober Silicaformen und diese werden meist in extrem feinen Partikelgrößen genutzt. Normalerweise lässt sich Silica nach dem Durchfeuchten nicht gut dispergieren. Außerdem werden der Produktformulation dadurch zahlreiche Mikroblasen zugefügt.

Für die meisten Anwendungen von Silica ist eine gute und gleichmäßige Dispersion wichtig. Besonders wenn es dazu verwendet wird, in Beschichtungen und Lacken die Kratzfestigkeit zu erhöhen, müssen die Silica-Partikel klein genug sein, um nicht mit dem sichtbaren Licht zu interferieren und um so Trübungen zu vermeiden und die Transparenz zu erhalten. Daher wird für die meisten Beschichtungen Silica benötigt, das kleiner als 40nm ist, da es nur dann diese Anforderungen erfüllen kann. Bei anderen Anwendungen wird es durch die Partikelagglomeration erschwert, dass jeder einzelne Silicapartikel mit dem Umgebungsmedium reagiert.

Im Vergleich mit anderen Hochschermischtechniken zeigt sich das Beschallen mit Ultraschall als die effektivere Methode für das Dispergieren von Silica. Die unten stehende Grafik zeigt ein typisches Ergebnis, das beim Dispergieren von Silicastaub (Silicafume) in Wasser mit Ultraschall erreicht wird. Die Messungen wurden mit einem Malvern Mastersizer 2000 durchgeführt.

Partikelgrößenverteilung von Silica in wässriger Lösung vor und nach dem Beschallen

Die Partikelgrößenreduktion startet (grüne Kurve) bei einer agglomerierten Partikelgröße von mehr als 200 µm (D50), die meisten Partikel werden auf weniger als 200 Nanometer reduziert. Das deutliche Auslaufen der Kurve nach rechts resultiert aus der Materialzusammensetzung (Agglomerate und größere Primaries). Während sich die Agglomerate schnell und einfach reduzieren lassen, dauert das Zerkleinern der größeren Primary-Partikel länger.

Prozesseffizienz bei der Silica-Größenreduktion

Die Prozesseffizienz von Ultraschall beim Dispergieren von Silica wurde von Pohl und Schubert mit anderen Hochschermischmethoden, so z. B. mit einem IKA Ultra-Turrax verglichen. Pohl untersuchte die Partikelgrößenreduktion von Aerosil 90 (2%wt) in Wasser mittels Rotor-Stator- und Ultraschall-System. Dabei verglich er einen Ultra-Turrax (Rotor-Stator-System) bei verschiedenen Einstellungen mit denen eines UIP1000hd (Ultraschallgerät) im Durchflussmodus. Die unten stehende Grafik zeigt die Ergebnisse.

Vergleich eines Ultra Turrax und eines Ultraschallsystems beim Dispergieren von Silica in Wasser

Als Ergebnis seiner Studie resümiert Pohl, dass "Bei einer konstanten spezifischen Energie E_V Ultraschall effektiver als das Rotor-Stator-System ist." und "Die angewendete Ultraschallfrequenz in der Größenordnung von 20 kHz bis zu 30 kHz keinen größeren Effekt auf den Dispersionsprozess hat."

Die Bilder unten zeigen das Ergebnis, das Pohl beim Beschallen von Silica-Sprühgefriergranulat erhielt. (Klicken Sie für eine größere Ansicht bitte auf die Bilder!)