Ultrazvučna disperzija silicijevog dioksida (SiO2)

Silicijev dioksid, poznat i kao SiO2, nanosilika ili mikrosilika, koristi se u zubnim pastama, cementu, sintetičkoj gumi, visokoučinkovitim polimerima ili u prehrambenim proizvodima kao zgušnjivač, adsorbens, sredstvo protiv zgrudnjavanja ili nosač mirisa i aroma. U nastavku možete saznati više o upotrebi nanosilike i mikrosilike te o tome kako sonomehanički efekti ultrazvuka mogu poboljšati efikasnost procesa i performanse konačnog proizvoda tako što omogućavaju bolje suspenzije silike i olakšavaju sintezu nanočestica silike.

Prednosti ultrazvučne disperzije nanosilike (SiO2)

Silika je dostupna u širokom rasponu hidrofilnih i hidrofobnih oblika te ima izuzetno finu veličinu čestica, od nekoliko mikrometara do nekoliko nanometara. Silika se obično ne disperguje dobro nakon vlaženja. Ona također unosi mnogo mikromjehurića u formulaciju proizvoda. Ultrazvučna obrada je efikasna procesna tehnologija za dispergiranje mikrosilike i nanosilike te za uklanjanje otopljenog plina i mikromjehurića iz formulacije.

Ultrazvučna disperzija je tehnika koja koristi ultrazvučne valove visokog intenziteta i niske frekvencije za dispergiranje i deaglomeraciju čestica u tekućem mediju. Kada je riječ o dispergiranju silike i nanosilike, ultrazvučna disperzija nudi nekoliko prednosti:

Važnost veličine čestica silike

Za mnoge primjene nanosilike ili mikrosilike veoma je važna dobra i ujednačena disperzija. Često je potrebna monodisperzna suspenzija silike, npr. za mjerenje veličine čestica. Posebno za upotrebu u tintama, premazima i polimerima radi poboljšanja otpornosti na ogrebotine, čestice silike moraju biti dovoljno male da ne ometaju vidljivu svjetlost, kako bi se izbjegla zamućenost i zadržala prozirnost. Za većinu premaza čestice silike moraju biti manje od 40nm da bi se ispunio ovaj zahtjev. Za druge primjene, aglomeracija čestica silike sprječava svaku pojedinačnu česticu silike da stupa u interakciju s okolnim medijem.
Ultrazvučni homogenizatori su efikasniji u dispergiranju silike od drugih metoda miješanja s visokim smicanjem, kao što su rotacijske miješalice ili miješalice za rezervoare. Slika ispod prikazuje tipičan rezultat ultrazvučnog dispergiranja pirogene silike u vodi.

Ultrazvučna disperzija pirogene silike u vodi

Efikasnost obrade pri smanjenju veličine čestica silike

Ultrazvučna disperzija nanosilike je superiornija od drugih metoda miješanja s visokim smicanjem, kao što je IKA Ultra-Turrax. Ultrazvuk proizvodi suspenzije manje veličine čestica silike, a ultrazvučna obrada je energetski efikasnija tehnologija. Pohl i Schubert uporedili su smanjenje veličine čestica Aerosila 90 (2%wt) u vodi pomoću Ultra-Turraxa (sistem rotor-stator) s onim postignutim Hielscher UIP1000hd (ultrazvučni uređaj od 1kW). Grafikon ispod prikazuje superiorne rezultate ultrazvučnog procesa. Kao rezultat svoje studije Pohl je zaključio da je „pri konstantnoj specifičnoj energiji EV ultrazvuk efikasniji od sistema rotor-stator.“ Energetska efikasnost i ujednačenost veličine čestica silike od najveće su važnosti u proizvodnim procesima u kojima su bitni troškovi proizvodnje, procesni kapacitet i kvalitet proizvoda.

Ultrazvuk naspram Ultra-Turraxa za disperziju silike

Slike ispod prikazuju rezultate koje je Pohl dobio ultrazvučnom obradom granula silike osušenih sprej-zamrzavanjem.

Lijevo: REM snimci granula silike dobivenih sprej-zamrzavanjem prije ultrazvučne deaglomeracije
Desno: TEM snimci ultrazvučno dispergiranih fragmenata silike
Studija i slike: Pohl i Schubert, 2004)

Visokoučinkoviti ultrazvučni dispergatori za visokokvalitetne formulacije silike

Hielscher Ultrasonics je njemačka porodična firma specijalizirana za razvoj, proizvodnju i isporuku visokoučinkovitih ultrazvučnih homogenizatora za obradu tekućina, suspenzija s krutim česticama i pasta. Hielscher ultrazvučni homogenizatori pouzdano obrađuju suspenzije silike i druge nanosuspenzije kako bi se postigla bilo koja željena specifikacija. Čak se i formulacije proizvoda koje su veoma osjetljive, abrazivne ili veoma viskozne mogu efikasno dispergirati i deaglomerirati ultrazvučnom obradom. Naši napredni ultrazvučni uređaji izuzetno su svestrani i nude sofisticirane mogućnosti šaržne i inline obrade. Pouzdano visoki standardi kvaliteta i ponovljivi rezultati ključne su karakteristike ultrazvučne disperzije silike.
Najsavremeniji ultrazvučni uređaji industrijske klase Hielscher odlikuju se pametnim i jednostavnim menijem, programabilnim postavkama, automatskim bilježenjem podataka na integriranu SD karticu, daljinskim upravljanjem putem preglednika i visokom robusnošću.
Amplituda je najutjecajniji parametar kada je riječ o ultrazvučnoj obradi. Amplituda se odnosi na maksimalni pomak ili kretanje od vrha do vrha ultrazvučnog vala. Za ultrazvučnu disperziju, deaglomeraciju i mokro mljevenje često su potrebne visoke amplitude kako bi se primijenila dovoljna energija za smanjenje veličine čestica. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori mogu pružiti izuzetno visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano primjenjivati u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Od malih i srednjih R&D i pilot ultrazvučnih uređaja do industrijskih sistema za komercijalnu proizvodnju silike u kontinuiranom režimu, Hielscher Ultrasonics ima pravi ultrazvučni procesor koji ispunjava vaše zahtjeve za vrhunsku obradu silike.

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišem kvalitetu i dizajnerskim standardima. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske pogone. Hielscher ultrazvučni uređaji lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana firma i posebnu pažnju posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima s najsavremenijom tehnologijom i jednostavnošću korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji su CE usklađeni i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tabela ispod daje orijentacijski prikaz približnog procesnog kapaciteta naših ultrazvučnih uređaja:

Šta je silika (SiO2, silicijev dioksid)?

Silika je hemijsko jedinjenje sastavljeno od silicija i kisika s hemijskom formulom SiO2, odnosno silicijev dioksid. Postoje mnogi različiti oblici silike, kao što su topljeni kvarc, pirogena silika, silika gel i aerogelovi. Silika postoji kao sastojak nekoliko minerala i kao sintetički proizvod. Silika se u prirodi najčešće nalazi kao kvarc i u raznim živim organizmima. Silicijev dioksid se dobiva rudarenjem i prečišćavanjem kvarca. Tri glavna oblika amorfne silike su pirogena silika, taložna silika i silika gel.

Pirogena silika / pirogena silika

Sagorijevanjem silicijevog tetraklorida (SiCl4) u plamenu vodika bogatom kisikom nastaje dim SiO2 – pirogena silika. Alternativno, isparavanjem kvarcnog pijeska u električnom luku na 3000 °C također nastaje pirogena silika. U oba procesa nastale mikroskopske kapljice amorfne silike stapaju se u razgranate, lančaste, trodimenzionalne sekundarne čestice. Te se sekundarne čestice zatim aglomeriraju u bijeli prah izuzetno niske nasipne gustoće i veoma velike površine. Veličina primarnih čestica neporozne pirogene silike je između 5 i 50 nm. Pirogena silika ima veoma snažan efekt zgušnjavanja. Stoga se pirogena silika koristi kao punilo u silikonskim elastomerima i za podešavanje viskoznosti u bojama, premazima, ljepilima, štamparskim tintama ili nezasićenim poliesterskim smolama. Pirogena silika može se obraditi tako da postane hidrofobna ili hidrofilna, za primjene s organskim tekućinama ili vodenim primjenama. Hidrofobna silika je efikasna komponenta sredstva protiv pjenjenja (antipjenušavo sredstvo).
Kliknite ovdje da biste pročitali o ultrazvučnom odzračivanju i uklanjanju pjene.
CAS broj pirogene silike 112945-52-5

Silikatna prašina / mikrosilika

Silikatna prašina je ultrafini prah nanoveličine, poznat i kao mikrosilika. Silikatna prašina ne smije se miješati s pirogenom silikom. Proizvodni proces, morfologija čestica i područja primjene silikatne prašine svi se razlikuju od onih kod pirogene silike. Silikatna prašina je amorfni, nekristalni, polimorfni oblik SiO2. Silikatna prašina sastoji se od sferičnih čestica prosječnog promjera čestica od 150 nm. Najistaknutija primjena silikatne prašine je kao puculanski materijal za beton visokih performansi. Dodaje se portland cementnom betonu radi poboljšanja svojstava betona, kao što su tlačna čvrstoća, čvrstoća prianjanja i otpornost na abraziju. Osim toga, silikatna prašina smanjuje propusnost betona za kloridne ione. Time se čelična armatura betona štiti od korozije.
Da biste saznali više o ultrazvučnom miješanju cementa i silikatne prašine, kliknite ovdje!
CAS broj silikatne prašine: 69012-64-2, EINECS broj silikatne prašine: 273-761-1

Taložna silika

Taložna silika je bijeli praškasti sintetički amorfni oblik SiO2. Taložna silika koristi se kao punilo, omekšivač ili za poboljšanje performansi u plastici ili gumi, npr. gumama za vozila. Ostale upotrebe uključuju sredstvo za čišćenje, zgušnjavanje ili poliranje u zubnim pastama.
Da biste saznali više o ultrazvučnom miješanju u proizvodnji zubne paste, kliknite ovdje!
Primarne čestice pirogene silike imaju promjer između 5 i 100 nm, dok je veličina aglomerata do 40 µm, a prosječna veličina pora veća je od 30 nm. Poput pirogene silike, taložna silika u suštini nije mikroporozna.
Pirogena silika proizvodi se taloženjem iz otopine koja sadrži silikatne soli. Nakon reakcije neutralne otopine silikata s mineralnom kiselinom, sumporna kiselina i otopine natrijevog silikata istovremeno se dodaju u vodu uz miješanje, kao što je ultrazvučno miješanje. Silika se taloži u kiselim uvjetima. Osim faktora kao što su trajanje taloženja, brzina dodavanja reaktanata, temperatura i koncentracija te pH, na svojstva silike mogu utjecati metoda i intenzitet miješanja. Sonomehaničko miješanje u ultrazvučnoj reaktorskoj komori efikasna je metoda za proizvodnju postojane i ujednačene veličine čestica. Ultrazvučno miješanje pri povišenim temperaturama izbjegava stvaranje faze gela.
Za više informacija o ultrazvučno potpomognutom taloženju nanomaterijala, kao što je taložna silika, kliknite ovdje!
CAS broj taložne silike: 7631-86-9

Koloidna silika / silika koloid

Koloidna silika je suspenzija finih neporoznih, amorfnih, uglavnom sferičnih čestica silike u tekućoj fazi.
Najčešće upotrebe silika koloida su kao pomoćno sredstvo za odvodnjavanje u proizvodnji papira, abraziv za poliranje silicijumskih pločica, katalizator u hemijskim procesima, upijač vlage, aditiv za premaze otporne na abraziju ili surfaktant za flokulaciju, koagulaciju, dispergiranje ili stabilizaciju.
Da biste saznali više o koloidnoj siliki u polimernim premazima otpornim na abraziju, kliknite ovdje!

Proizvodnja koloidne silike je višestepeni proces. Djelomična neutralizacija otopine alkalnog silikata dovodi do stvaranja jezgri silike. Podjedinice čestica koloidne silike obično su u rasponu između 1 i 5 nm. Ovisno o uvjetima polimerizacije, te se podjedinice mogu međusobno povezati. Snižavanjem pH ispod 7 ili dodavanjem soli jedinice se obično stapaju u lance, koji se često nazivaju silika gelovi. Inače podjedinice ostaju odvojene i postepeno rastu. Dobiveni proizvodi često se nazivaju silika solovi ili taložna silika. Suspenzija koloidne silike stabilizira se podešavanjem pH, a zatim koncentrira, npr. isparavanjem.
Da biste saznali više o sonomehaničkim efektima u sol-gel procesima, kliknite ovdje!

Zdravstveni rizik od silike

Suhi ili u zraku prisutni kristalni silikon-dioksid je kancerogen za ljudska pluća koji može uzrokovati ozbiljnu bolest pluća, rak pluća ili sistemske autoimune bolesti. Kada se silikatna prašina udahne i uđe u pluća, uzrokuje stvaranje ožiljnog tkiva i smanjuje sposobnost pluća da unesu kisik (silikoza). Vlaženje i dispergiranje SiO2 u tekuću fazu, npr. ultrazvučnom homogenizacijom, eliminira rizik od udisanja. Stoga je rizik da tekući proizvod koji sadrži SiO2 uzrokuje silikozu veoma nizak. Molimo koristite odgovarajuću ličnu zaštitnu opremu pri rukovanju silikom u obliku suhog praha!

Literatura

• 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.