تشتيت السيليكا (SiO2) بالموجات فوق الصوتية

تُستخدم السيليكا، المعروفة أيضًا باسم SiO2 أو السيليكا النانوية أو السيليكا الدقيقة، في معجون الأسنان والأسمنت والمطاط الصناعي والبوليمرات عالية الأداء أو في المنتجات الغذائية بوصفها عامل تثخين أو مادة مازّة أو عاملًا مضادًا للتكتل أو حاملًا للعطور والمنكّهات. ستتعرف فيما يلي على مزيد من المعلومات حول استخدامات السيليكا النانوية والسيليكا الدقيقة، وكيف يمكن للتأثيرات الميكانيكية للموجات فوق الصوتية تحسين كفاءة العملية وأداء المنتج النهائي من خلال تحضير معلّقات سيليكا أفضل وتسهيل تخليق جسيمات السيليكا النانوية.

مزايا تشتيت السيليكا النانوية (SiO2) بالموجات فوق الصوتية

تتوفر السيليكا في مجموعة واسعة من الأشكال المحبة للماء والكارهة للماء، وتتميز بحجم جسيمات بالغ الصغر يتراوح من بضعة ميكرومترات إلى بضعة نانومترات. عادةً لا تتشتت السيليكا جيدًا بعد ترطيبها. كما أنها تضيف الكثير من الفقاعات الدقيقة إلى تركيبة المنتج. تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية معالجة فعالة لتشتيت السيليكا الدقيقة والسيليكا النانوية وإزالة الغاز المذاب والفقاعات الدقيقة من التركيبة.

التشتيت بالموجات فوق الصوتية تقنية تستخدم موجات فوق صوتية عالية الشدة ومنخفضة التردد لتشتيت الجسيمات وتفكيك تكتلاتها في وسط سائل. وعند تشتيت السيليكا والسيليكا النانوية، يوفر التشتيت بالموجات فوق الصوتية عدة مزايا:
 

أهمية حجم جسيمات السيليكا

يُعد التشتيت الجيد والمتجانس بالغ الأهمية للعديد من تطبيقات السيليكا النانوية أو الدقيقة. وغالبًا ما يلزم استخدام معلّق سيليكا أحادي التشتت، مثلًا لقياس حجم الجسيمات. وبصفة خاصة عند استخدامها في الأحبار أو الطلاءات والبوليمرات لتحسين مقاومة الخدش، يجب أن تكون جسيمات السيليكا صغيرة بما يكفي لئلا تتداخل مع الضوء المرئي، وذلك لتجنب العتامة والحفاظ على الشفافية. وفي معظم الطلاءات، يجب أن يكون حجم جسيمات السيليكا أصغر من 40nm لتلبية هذا المتطلب. وفي التطبيقات الأخرى، يعيق تكتل جسيمات السيليكا تفاعل كل جسيم منفرد مع الأوساط المحيطة به.
تُعد المجانسات بالموجات فوق الصوتية أكثر فعالية في تشتيت السيليكا من طرق الخلط الأخرى ذات القص العالي، مثل الخلاطات الدوارة أو أجهزة تقليب الخزانات. وتُظهر الصورة أدناه نتيجة نموذجية لتشتيت السيليكا المدخنة في الماء بالموجات فوق الصوتية.

تشتيت السيليكا المدخنة في الماء بالموجات فوق الصوتية

كفاءة المعالجة في تقليل حجم جسيمات السيليكا

يتفوق تشتيت السيليكا النانوية بالموجات فوق الصوتية على طرق الخلط الأخرى ذات القص العالي، مثل IKA Ultra-Turrax. وتُنتج الموجات فوق الصوتية معلّقات ذات جسيمات سيليكا أصغر حجمًا، كما أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية هي التقنية الأعلى كفاءةً في استهلاك الطاقة. قارن Pohl وSchubert تقليل حجم جسيمات Aerosil 90 (2%wt) في الماء باستخدام Ultra-Turrax (نظام الدوّار والجزء الثابت) بتقليلها باستخدام Hielscher UIP1000hd (جهاز موجات فوق صوتية بقدرة 1kW). ويوضح الرسم أدناه النتائج المتفوقة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية. ونتيجةً لدراسته، خلص Pohl إلى أن «الموجات فوق الصوتية أكثر فعالية من نظام الدوّار والجزء الثابت عند ثبات الطاقة النوعية EV». وتُعد كفاءة الطاقة وتجانس حجم جسيمات السيليكا من الأمور بالغة الأهمية في عمليات الإنتاج التي تكون فيها تكلفة التصنيع والقدرة الإنتاجية للعملية وجودة المنتج عوامل مؤثرة.

الموجات فوق الصوتية مقابل Ultra-turrax لتشتيت السيليكا

تُظهر الصور أدناه النتائج التي حصل عليها Pohl من خلال معالجة حبيبات السيليكا المجففة بالتجميد الرذاذي بالموجات فوق الصوتية.

يسارًا: صور REM لحبيبات السيليكا المجمدة بالرذاذ قبل تفكيك التكتلات بالموجات فوق الصوتية
يمينًا: صور TEM لشظايا السيليكا المشتتة بالموجات فوق الصوتية
الدراسة والصور: Pohl وSchubert، 2004)

مشتتات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتركيبات سيليكا عالية الجودة

Hielscher Ultrasonics شركة ألمانية عائلية متخصصة في تطوير مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء وتصنيعها وتوريدها لمعالجة السوائل والمعلّقات المحمّلة بالمواد الصلبة والمعاجين. تعالج المجانسات بالموجات فوق الصوتية من Hielscher عجائن السيليكا السائلة وغيرها من المعلّقات النانوية بصورة موثوقة للحصول على أي مواصفات مطلوبة. وحتى تركيبات المنتجات شديدة الحساسية أو الكاشطة أو عالية اللزوجة يمكن تشتيتها وتفكيك تكتلاتها بكفاءة باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية. تتميز أجهزتنا المتقدمة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بتعدد كبير في الاستخدامات، وتوفر إمكانات متطورة للمعالجة على دفعات وضمن خط الإنتاج. وتُعد معايير الجودة العالية الموثوقة والنتائج القابلة للتكرار من السمات الأساسية لتشتيت السيليكا بالموجات فوق الصوتية.
تتميز أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية الصناعية المتطورة من Hielscher بقائمة ذكية وسهلة الاستخدام، وإعدادات قابلة للبرمجة، وتسجيل تلقائي للبيانات على بطاقة SD مدمجة، وتحكم عن بُعد عبر المتصفح، ومتانة عالية.
السعة هي المعلمة الأكثر تأثيرًا في المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وتشير السعة إلى الإزاحة القصوى أو الحركة من قمة إلى قمة للموجة فوق الصوتية. وغالبًا ما يتطلب التشتيت وتفكيك التكتلات والطحن الرطب بالموجات فوق الصوتية سعات عالية لتطبيق طاقة كافية لتقليل حجم الجسيمات. ويمكن لأجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher توفير سعات مرتفعة بصورة استثنائية. ويمكن تشغيلها بسهولة وبصورة مستمرة بسعات تصل إلى 200µm في نظام تشغيل 24/7. وللسعات الأعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية.
من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية الصغيرة والمتوسطة للبحث والتطوير والتشغيل التجريبي إلى الأنظمة الصناعية للتصنيع التجاري المستمر للسيليكا، توفر Hielscher Ultrasonics جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية المناسب لتلبية متطلباتك في معالجة السيليكا بأداء متفوق.

التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صُنعت في ألمانيا

تشتهر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأعلى معايير الجودة والتصميم. وتتيح المتانة وسهولة التشغيل دمج أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بسلاسة في المنشآت الصناعية. وتتعامل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات ذات المتطلبات الصعبة.

Hielscher Ultrasonics شركة حاصلة على شهادة ISO، وتولي اهتمامًا خاصًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بتقنية متطورة وسهولة الاستخدام. وبالطبع، تتوافق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مع CE وتلبي متطلبات UL وCSA وRoHs.

يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على القدرة التقريبية للمعالجة لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:

ما السيليكا (SiO2، ثاني أكسيد السيليكون)؟

السيليكا مركب كيميائي يتكون من السيليكون والأكسجين، وصيغته الكيميائية SiO2، ويُعرف أيضًا بثاني أكسيد السيليكون. توجد أشكال مختلفة عديدة من السيليكا، مثل الكوارتز المنصهر والسيليكا المدخنة وهلام السيليكا والهلامات الهوائية. وتوجد السيليكا بوصفها مركبًا في عدة معادن وبوصفها منتجًا اصطناعيًا. وأكثر أشكال السيليكا شيوعًا في الطبيعة هو الكوارتز، كما توجد في كائنات حية متنوعة. ويُحصل على ثاني أكسيد السيليكون من خلال تعدين الكوارتز وتنقيته. والأشكال الرئيسية الثلاثة للسيليكا غير المتبلورة هي السيليكا البيروجينية والسيليكا المترسبة وهلام السيليكا.

السيليكا المدخنة / السيليكا البيروجينية

ينتج عن حرق رباعي كلوريد السيليكون (SiCl4) في لهب هيدروجين غني بالأكسجين دخان من SiO2 – السيليكا المدخنة. وبدلًا من ذلك، ينتج عن تبخير رمل الكوارتز في قوس كهربائي عند 3000 °C سيليكا مدخنة أيضًا. وفي كلتا العمليتين، تلتحم القطيرات المجهرية الناتجة من السيليكا غير المتبلورة لتشكّل جسيمات ثانوية ثلاثية الأبعاد متفرعة وشبيهة بالسلاسل. ثم تتكتل هذه الجسيمات الثانوية لتكوّن مسحوقًا أبيض ذا كثافة ظاهرية منخفضة للغاية ومساحة سطح عالية جدًا. ويتراوح حجم الجسيمات الأولية للسيليكا المدخنة غير المسامية بين 5 و50 nm. وتتميز السيليكا المدخنة بتأثير تثخين قوي جدًا. لذلك تُستخدم السيليكا المدخنة مادةَ حشو في إلاستومر السيليكون، ولضبط اللزوجة في الدهانات والطلاءات والمواد اللاصقة وأحبار الطباعة أو راتنجات البوليستر غير المشبعة. ويمكن معالجة السيليكا المدخنة لجعلها كارهة للماء أو محبة له، لاستخدامها في تطبيقات السوائل العضوية أو التطبيقات المائية. وتُعد السيليكا الكارهة للماء مكوّنًا فعالًا في مزيلات الرغوة (عامل مضاد لتكوّن الرغوة).
انقر هنا للقراءة عن إزالة الغازات والرغوة بالموجات فوق الصوتية.
رقم CAS للسيليكا المدخنة 112945-52-5

دخان السيليكا / السيليكا الدقيقة

دخان السيليكا مسحوق فائق النعومة ذو حجم نانوي، يُعرف أيضًا بالسيليكا الدقيقة. وينبغي عدم الخلط بين دخان السيليكا والسيليكا المدخنة. إذ تختلف عملية الإنتاج ومورفولوجيا الجسيمات ومجالات استخدام دخان السيليكا جميعها عن نظيراتها في السيليكا المدخنة. ودخان السيليكا شكل غير متبلور وغير بلوري ومتعدد الأشكال من SiO2. ويتكون دخان السيليكا من جسيمات كروية بمتوسط قطر جسيمات يبلغ 150 nm. وأبرز استخدام لدخان السيليكا هو بوصفه مادة بوزولانية للخرسانة عالية الأداء. ويُضاف إلى خرسانة الأسمنت البورتلاندي لتحسين خواص الخرسانة، مثل مقاومة الضغط وقوة التماسك ومقاومة السحج. وإضافةً إلى ذلك، يقلل دخان السيليكا نفاذية الخرسانة لأيونات الكلوريد. وهذا يحمي حديد تسليح الخرسانة من التآكل.
لمعرفة المزيد عن خلط الأسمنت ودخان السيليكا بالموجات فوق الصوتية، يُرجى النقر هنا!
رقم CAS لدخان السيليكا: 69012-64-2، رقم EINECS لدخان السيليكا: 273-761-1

السيليكا المترسبة

السيليكا المترسبة شكل اصطناعي غير متبلور من SiO2 على هيئة مسحوق أبيض. وتُستخدم السيليكا المترسبة مادةَ حشو أو عاملَ تليين أو لتحسين الأداء في البلاستيك أو المطاط، مثل الإطارات. وتشمل الاستخدامات الأخرى عملها عاملَ تنظيف أو تثخين أو تلميع في معاجين الأسنان.
لمعرفة المزيد عن الخلط بالموجات فوق الصوتية في تصنيع معجون الأسنان، يُرجى النقر هنا!
يتراوح قطر الجسيمات الأولية للسيليكا المدخنة بين 5 و100 nm، بينما يصل حجم التكتلات إلى 40 µm، ويزيد متوسط حجم المسام على 30 nm. ومثل السيليكا البيروجينية، لا تُعد السيليكا المترسبة ذات مسام دقيقة في الأساس.
تُنتَج السيليكا المدخنة بالترسيب من محلول يحتوي على أملاح السيليكات. وبعد تفاعل محلول سيليكات متعادل مع حمض معدني، تُضاف محاليل حمض الكبريتيك وسيليكات الصوديوم إلى الماء في الوقت نفسه مع التحريك، مثل التحريك بالموجات فوق الصوتية. وتترسب السيليكا في الظروف الحمضية. وإلى جانب عوامل مثل مدة الترسيب ومعدل إضافة المتفاعلات ودرجة الحرارة والتركيز ودرجة الحموضة pH، يمكن أن تغيّر طريقة التحريك وشدته خواص السيليكا. ويُعد التحريك الميكانيكي بالموجات فوق الصوتية داخل حجرة مفاعل بالموجات فوق الصوتية طريقة فعالة لإنتاج جسيمات ذات حجم متسق ومتجانس. ويمنع التحريك بالموجات فوق الصوتية عند درجات حرارة مرتفعة تكوّن مرحلة هلامية.
لمزيد من المعلومات عن ترسيب المواد النانوية بمساعدة الموجات فوق الصوتية، مثل السيليكا المترسبة، يُرجى النقر هنا!
رقم CAS للسيليكا المترسبة: 7631-86-9

السيليكا الغروية / غروي السيليكا

السيليكا الغروية معلّق من جسيمات السيليكا الدقيقة غير المسامية وغير المتبلورة، والتي تكون كروية في معظمها، في طور سائل.
تشمل أكثر استخدامات غرويات السيليكا شيوعًا استعمالها عاملًا مساعدًا لتصريف الماء في صناعة الورق، ومادة كاشطة لتلميع رقائق السيليكون، ومحفزًا في العمليات الكيميائية، ومادة ماصّة للرطوبة، ومادة مضافة إلى الطلاءات المقاومة للسحج، أو مادة فعالة سطحيًا للتلبد أو التخثر أو التشتيت أو التثبيت.
لمعرفة المزيد عن السيليكا الغروية في الطلاءات البوليمرية المقاومة للسحج، يُرجى النقر هنا!

إنتاج السيليكا الغروية عملية متعددة الخطوات. ويؤدي التعادل الجزئي لمحلول سيليكات قلوية إلى تكوّن نوى السيليكا. ويتراوح حجم الوحدات الفرعية لجسيمات السيليكا الغروية عادةً بين 1 و5 nm. ويمكن أن ترتبط هذه الوحدات الفرعية معًا تبعًا لظروف البلمرة. وعند خفض درجة الحموضة pH إلى أقل من 7 أو إضافة ملح، تميل الوحدات إلى الالتحام معًا في سلاسل، غالبًا ما تُسمى هلامات السيليكا. وإلا فإن الوحدات الفرعية تبقى منفصلة وتنمو تدريجيًا. وغالبًا ما تُسمى المنتجات الناتجة محاليل السيليكا الغروية أو السيليكا المترسبة. ويُثبَّت معلّق السيليكا الغروية بضبط درجة الحموضة pH ثم يُركَّز، مثلًا بالتبخير.
لمعرفة المزيد عن التأثيرات الميكانيكية للموجات فوق الصوتية في عمليات السول–جل، يُرجى النقر هنا!

المخاطر الصحية للسيليكا

يُعد ثاني أكسيد السيليكون البلوري الجاف أو المحمول في الهواء مادة مسرطنة لرئة الإنسان، ويمكن أن يسبب أمراضًا رئوية خطيرة أو سرطان الرئة أو أمراض مناعة ذاتية جهازية. وعندما يُستنشق غبار السيليكا ويدخل الرئتين، فإنه يسبب تكوّن نسيج ندبي ويقلل قدرة الرئتين على امتصاص الأكسجين (السحار السيليسي). ويؤدي ترطيب SiO2 وتشتيته في طور سائل، مثلًا بالتجنيس بالموجات فوق الصوتية، إلى إزالة خطر الاستنشاق. ولذلك فإن خطر تسبب منتج سائل يحتوي على SiO2 في السحار السيليسي منخفض جدًا. يُرجى استخدام معدات الوقاية الشخصية المناسبة عند التعامل مع السيليكا في صورة مسحوق جاف!

المراجع

• Vikash, Vimal Kumar (2020): Ultrasonic-assisted de-agglomeration and power draw characterization of silica nanoparticles. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 65, 2020.
• Rosa Mondragon, J. Enrique Julia, Antonio Barba, Juan Carlos Jarque (2012): Characterization of silica–water nanofluids dispersed with an ultrasound probe: A study of their physical properties and stability. Powder Technology, Volume 224, 2012. 138-146.
• Pohl, Markus; Schubert, Helmar (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions. PARTEC 2004.