Ултразвуково диспергиране на силициев диоксид (SiO2)

Силициевият диоксид, известен също като SiO2, наносилика или микросилика, се използва в пасти за зъби, цимент, синтетичен каучук, високоефективни полимери или хранителни продукти като сгъстител, адсорбент, средство против слепване или носител на аромати и овкусители. По-долу ще научите повече за приложенията на наносиликата и микросиликата и за това как сономеханичните ефекти на ултразвука могат да подобрят ефективността на процеса и експлоатационните характеристики на крайния продукт чрез получаване на по-добри суспензии на силициев диоксид и улесняване на синтеза на наночастици от силициев диоксид.

Предимства на ултразвуковото диспергиране на наносилика (SiO2)

Силициевият диоксид се предлага в широка гама от хидрофилни и хидрофобни форми и има изключително малък размер на частиците – от няколко микрометра до няколко нанометра. Обикновено силициевият диоксид не е добре диспергиран след омокряне. Той също така внася много микромехурчета в продуктовата формула. Ултразвуковата обработка е ефективна технологична процедура за диспергиране на микросилика и наносилика и за отстраняване на разтворения газ и микромехурчетата от формулата.

Ултразвуковото диспергиране е метод, при който се използват ултразвукови вълни с висок интензитет и ниска честота за диспергиране и деагломерация на частици в течна среда. При диспергирането на силициев диоксид и наносилика ултразвуковото диспергиране предлага няколко предимства:
 

Значението на размера на частиците на силициев диоксид

За много приложения на силициев диоксид с наноразмерни или микроразмерни частици доброто и равномерно диспергиране е много важно. Често се изисква монодисперсна суспензия на силициев диоксид, например за измерване на размера на частиците. Особено при използване в мастила или покрития и полимери за подобряване на устойчивостта на надраскване частиците на силициев диоксид трябва да бъдат достатъчно малки, за да не взаимодействат с видимата светлина, така че да се избегне помътняване и да се запази прозрачността. За повечето покрития частиците на силициев диоксид трябва да бъдат по-малки от 40nm, за да изпълнят това изискване. При други приложения агломерацията на частиците на силициев диоксид възпрепятства взаимодействието на всяка отделна частица с околната среда.
Ултразвуковите хомогенизатори са по-ефективни при диспергирането на силициев диоксид от други методи за смесване с високо срязване, като ротационни смесители или бъркалки за резервоари. Изображението по-долу показва типичен резултат от ултразвуковото диспергиране на пирогенен силициев диоксид във вода.

Ултразвуково диспергиране на пирогенен силициев диоксид във вода

Ефективност на обработката при намаляване на размера на частиците на силициев диоксид

Ултразвуковото диспергиране на наносилика превъзхожда други методи за смесване с високо срязване, като смесването с IKA Ultra-Turrax. Ултразвукът създава суспензии с по-малък размер на частиците на силициев диоксид, а ултразвуковата обработка е по-енергийно ефективната технология. Pohl и Schubert сравняват намаляването на размера на частиците на Aerosil 90 (2%wt) във вода с помощта на Ultra-Turrax (роторно-статорна система) с това, постигнато с Hielscher UIP1000hd (ултразвуков апарат с мощност 1kW). Графиката по-долу показва превъзходните резултати от ултразвуковия процес. В резултат на своето изследване Pohl заключава, че „При постоянна специфична енергия EV ултразвукът е по-ефективен от роторно-статорната система.“ Енергийната ефективност и еднаквият размер на частиците на силициев диоксид са от първостепенно значение в производствените процеси, при които производствените разходи, капацитетът на процеса и качеството на продукта са важни.

Ултразвук в сравнение с Ultra-turrax за диспергиране на силициев диоксид

Изображенията по-долу показват резултатите, които Pohl получава чрез ултразвукова обработка на гранули от силициев диоксид, изсушени чрез лиофилизация след замразяване чрез разпръскване.

Вляво: REM изображения на гранули от силициев диоксид, замразени чрез разпръскване, преди ултразвукова деагломерация
Вдясно: TEM изображения на ултразвуково диспергирани фрагменти от силициев диоксид
Изследване и изображения: Pohl и Schubert, 2004)

Високоефективни ултразвукови диспергатори за висококачествени формули със силициев диоксид

Hielscher Ultrasonics е германска семейна компания, специализирана в разработването, производството и доставката на високоефективни ултразвукови хомогенизатори за обработка на течности, суспензии с твърди частици и пасти. Ултразвуковите хомогенизатори на Hielscher надеждно обработват суспензии на силициев диоксид и други наносуспензии, за да се постигнат всякакви желани спецификации. Дори продуктови формули, които са силно чувствителни, абразивни или силно вискозни, могат да бъдат ефективно диспергирани и деагломерирани чрез ултразвукова обработка. Нашите усъвършенствани ултразвукови апарати са изключително универсални и предлагат сложни възможности за партидна обработка и обработка в поточна линия. Надеждно високите стандарти за качество и възпроизводимите резултати са ключови характеристики на ултразвуковото диспергиране на силициев диоксид.
Съвременните ултразвукови апарати на Hielscher за промишлена употреба разполагат с интелигентно и удобно за потребителя меню, програмируеми настройки, автоматично регистриране на данни върху вградена SD карта, дистанционно управление чрез браузър и висока издръжливост.
Амплитудата е параметърът с най-голямо влияние при ултразвуковата обработка. Амплитудата се отнася до максималното изместване или движението от връх до връх на ултразвукова вълна. За ултразвуково диспергиране, деагломерация и мокро смилане често са необходими високи амплитуди, за да се приложи достатъчно енергия за намаляване на размера на частиците. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher могат да осигурят изключително високи амплитуди. При амплитуди до 200µm лесно може да се работи непрекъснато в режим 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка.
От малки и средни ултразвукови апарати за научноизследователска и развойна дейност и пилотни приложения до промишлени системи за търговско производство на силициев диоксид в непрекъснат режим – Hielscher Ultrasonics разполага с подходящия ултразвуков процесор, който да отговори на вашите изисквания за превъзходна обработка на силициев диоксид.

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре известни с най-високите си стандарти за качество и проектиране. Издръжливостта и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати на Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни среди.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високоефективни ултразвукови апарати с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са в съответствие с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Таблицата по-долу дава ориентир за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

Какво представлява силициевият диоксид (SiO2)?

Силициевият диоксид е химично съединение, съставено от силиций и кислород, с химична формула SiO2. Съществуват много различни форми на силициев диоксид, като стопен кварц, пирогенен силициев диоксид, силикагел и аерогелове. Силициевият диоксид съществува като съединение в няколко минерала и като синтетичен продукт. В природата силициевият диоксид най-често се среща като кварц и в различни живи организми. Силициевият диоксид се получава чрез добив и пречистване на кварц. Трите основни форми на аморфния силициев диоксид са пирогенен силициев диоксид, утаен силициев диоксид и силикагел.

Пирогенен силициев диоксид / Пирогенна силика

Изгарянето на силициев тетрахлорид (SiCl4) във водороден пламък, богат на кислород, образува дим от SiO2 – пирогенен силициев диоксид. Като алтернатива изпаряването на кварцов пясък в електрическа дъга при 3000 °C също произвежда пирогенен силициев диоксид. При двата процеса получените микроскопични капчици аморфен силициев диоксид се сливат в разклонени, верижни, триизмерни вторични частици. След това тези вторични частици агломерират в бял прах с изключително ниска насипна плътност и много голяма повърхност. Размерът на първичните частици на непорестия пирогенен силициев диоксид е между 5 и 50 nm. Пирогенният силициев диоксид има много силен сгъстяващ ефект. Поради това пирогенният силициев диоксид се използва като пълнител в силиконови еластомери и за регулиране на вискозитета в бои, покрития, лепила, печатарски мастила или ненаситени полиестерни смоли. Пирогенният силициев диоксид може да бъде обработен, за да стане хидрофобен или хидрофилен за приложения както в органични течности, така и във водна среда. Хидрофобният силициев диоксид е ефективен компонент на пеногасители (средства против образуване на пяна).
Щракнете тук, за да прочетете за ултразвуковото дегазиране и отстраняване на пяна.
Пирогенен силициев диоксид, CAS номер 112945-52-5

Силициев дим / Микросилика

Микросиликата е ултрафин прах с наноразмерни частици, известен също като силициев дим. Микросиликата не трябва да се бърка с пирогенния силициев диоксид. Производственият процес, морфологията на частиците и областите на приложение на микросиликата се различават от тези на пирогенния силициев диоксид. Микросиликата е аморфна, некристална, полиморфна форма на SiO2. Микросиликата се състои от сферични частици със среден диаметър на частиците 150 nm. Най-значимото приложение на микросиликата е като пуцоланов материал за бетон с високи експлоатационни характеристики. Тя се добавя към бетон с портландцимент за подобряване на свойствата на бетона, като якост на натиск, якост на сцепление и устойчивост на абразивно износване. Освен това микросиликата намалява пропускливостта на бетона за хлоридни йони. Това предпазва стоманената армировка на бетона от корозия.
За да научите повече за ултразвуковото смесване на цимент и микросилика, щракнете тук!
Микросилика, CAS номер: 69012-64-2, микросилика, EINECS номер: 273-761-1

Утаен силициев диоксид

Утаеният силициев диоксид е бяла прахообразна синтетична аморфна форма на SiO2. Утаеният силициев диоксид се използва като пълнител, омекотител или добавка за подобряване на експлоатационните характеристики в пластмаси или каучук, например в гуми. Други приложения включват употребата му като почистващ, сгъстяващ или полиращ агент в пасти за зъби.
За да научите повече за ултразвуковото смесване при производството на паста за зъби, щракнете тук!
Първичните частици на пирогенния силициев диоксид имат диаметър между 5 и 100 nm, докато размерът на агломератите достига до 40 µm, а средният размер на порите е по-голям от 30 nm. Подобно на пирогенния силициев диоксид, утаеният силициев диоксид по същество не е микропорест.
Пирогенният силициев диоксид се произвежда чрез утаяване от разтвор, съдържащ силикатни соли. След реакция на неутрален силикатен разтвор с минерална киселина към вода се добавят едновременно разтвори на сярна киселина и натриев силикат при разбъркване, например ултразвуково разбъркване. Силициевият диоксид се утаява в кисела среда. Освен фактори като продължителността на утаяването, скоростта на добавяне на реагентите, температурата и концентрацията и pH, методът и интензитетът на разбъркване могат да променят свойствата на силициевия диоксид. Сономеханичното разбъркване в камерата на ултразвуков реактор е ефективен метод за получаване на постоянен и еднакъв размер на частиците. Ултразвуковото разбъркване при повишени температури предотвратява образуването на гелна фаза.
За повече информация за утаяването на наноматериали с помощта на ултразвук, като утаен силициев диоксид, щракнете тук!
Утаен силициев диоксид, CAS номер: 7631-86-9

Колоиден силициев диоксид / Колоид на силициев диоксид

Колоидният силициев диоксид е суспензия на фини, непорести, аморфни, предимно сферични частици на силициев диоксид в течна фаза.
Най-честите приложения на колоидите на силициев диоксид са като помощно средство за обезводняване при производството на хартия, абразив за полиране на силициеви пластини, катализатор в химични процеси, абсорбент на влага, добавка към устойчиви на абразивно износване покрития или повърхностноактивно вещество за флокулация, коагулация, диспергиране или стабилизиране.
За да научите повече за колоидния силициев диоксид в устойчиви на абразивно износване полимерни покрития, щракнете тук!

Производството на колоиден силициев диоксид е многоетапен процес. Частичната неутрализация на разтвор на алкален силикат води до образуването на зародиши на силициев диоксид. Субединиците на частиците на колоидния силициев диоксид обикновено са с размер между 1 и 5 nm. В зависимост от условията на полимеризация тези субединици могат да се свързват помежду си. При понижаване на pH под 7 или при добавяне на сол субединиците имат склонност да се сливат във вериги, които често се наричат силикагелове. В противен случай субединиците остават разделени и постепенно нарастват. Получените продукти често се наричат золове на силициев диоксид или утаен силициев диоксид. Суспензията на колоиден силициев диоксид се стабилизира чрез регулиране на pH и след това се концентрира, например чрез изпаряване.
За да научите повече за сономеханичните ефекти в зол–гел процесите, щракнете тук!

Риск за здравето от силициевия диоксид

Сухият или пренасяният във въздуха кристален „silicone dioxide“ е белодробен канцероген за човека, който може да причини сериозни белодробни заболявания, рак на белия дроб или системни автоимунни заболявания. Когато прахът от силициев диоксид бъде вдишан и попадне в белите дробове, той причинява образуване на цикатрициална тъкан и намалява способността на белите дробове да поемат кислород (силикоза). Омокрянето и диспергирането на SiO2 в течна фаза, например чрез ултразвукова хомогенизация, елиминира риска от вдишване. Следователно рискът течен продукт, който съдържа SiO2, да причини силикоза е много нисък. Моля, използвайте подходящи лични предпазни средства при работа със силициев диоксид под формата на сух прах!

Литература

• 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.