Ultrazvuková disperze oxidu křemičitého (SiO2)

Oxid křemičitý, známý také jako SiO2, nanosilika nebo mikrosilika, se používá v zubních pastách, cementu, syntetickém kaučuku, vysoce výkonných polymerech nebo v potravinářských výrobcích jako zahušťovadlo, adsorbent, protispékavá látka nebo nosič vůní a aromat. Níže se dozvíte více o použití nanosiliky a mikrosiliky a o tom, jak mohou sonomechanické účinky ultrazvuku zlepšit efektivitu procesu a užitné vlastnosti finálního produktu díky kvalitnějším suspenzím oxidu křemičitého a usnadnění syntézy nanočástic oxidu křemičitého.

Výhody ultrazvukové disperze nanosiliky (SiO2)

Oxid křemičitý je dostupný v široké škále hydrofilních a hydrofobních forem a má extrémně jemnou velikost částic od několika mikrometrů až po několik nanometrů. Po smáčení obvykle oxid křemičitý není dobře dispergován. Navíc do formulace produktu vnáší velké množství mikrobublin. Sonikace je účinná procesní technologie k dispergaci mikrosiliky a nanosiliky a k odstranění rozpuštěného plynu a mikrobublin z formulace.

Ultrazvuková disperze je technika, která využívá vysoce intenzivní nízkofrekvenční ultrazvukové vlny k dispergaci a deaglomeraci částic v kapalném médiu. Pokud jde o disperzi oxidu křemičitého a nanosiliky, nabízí ultrazvuková disperze několik výhod:

Význam velikosti částic oxidu křemičitého

Pro mnoho aplikací oxidu křemičitého o nanometrické nebo mikrometrické velikosti je velmi důležitá dobrá a rovnoměrná disperze. Často je vyžadována monodisperzní suspenze oxidu křemičitého, např. pro měření velikosti částic. Zejména při použití v inkoustech nebo povlacích a polymerech ke zlepšení odolnosti proti poškrábání musí být částice oxidu křemičitého dostatečně malé, aby neinterferovaly s viditelným světlem, a zabránilo se tak zákalu a zachovala se průhlednost. U většiny povlaků musí být částice oxidu křemičitého menší než 40nm, aby byl tento požadavek splněn. U jiných aplikací brání aglomerace částic oxidu křemičitého tomu, aby každá jednotlivá částice interagovala s okolním médiem.
Ultrazvukové homogenizátory jsou při dispergaci oxidu křemičitého účinnější než jiné metody vysokosmykového míchání, jako jsou rotační míchačky nebo míchadla v nádržích. Obrázek níže ukazuje typický výsledek ultrazvukové dispergace dýmavého oxidu křemičitého ve vodě.

Ultrazvuková disperze dýmavého oxidu křemičitého ve vodě

Efektivita zpracování při zmenšování velikosti částic oxidu křemičitého

Ultrazvuková disperze nanosiliky předčí jiné metody vysokosmykového míchání, jako je IKA Ultra-Turrax. Ultrazvuk vytváří suspenze s menší velikostí částic oxidu křemičitého a sonikace je energeticky účinnější technologií. Pohl a Schubert porovnali zmenšování velikosti částic přípravku Aerosil 90 (2%wt) ve vodě pomocí zařízení Ultra-Turrax (systém rotor-stator) se zmenšováním pomocí přístroje Hielscher UIP1000hd (ultrazvukové zařízení 1kW). Graf níže ukazuje lepší výsledky ultrazvukového procesu. Na základě své studie Pohl dospěl k závěru, že „při konstantní měrné energii EV je ultrazvuk účinnější než systém rotor-stator.“ Energetická účinnost a rovnoměrnost velikosti částic oxidu křemičitého mají zcela zásadní význam ve výrobních procesech, kde záleží na výrobních nákladech, kapacitě procesu a kvalitě produktu.

Ultrazvuk vs. Ultra-turrax pro disperzi oxidu křemičitého

Obrázky níže ukazují výsledky, kterých Pohl dosáhl sonikací granulí oxidu křemičitého připravených rozprašovací lyofilizací.

Vlevo: REM snímky granulí oxidu křemičitého připravených rozprašovacím zmrazováním před ultrazvukovou deaglomerací
Vpravo: TEM snímky ultrazvukově dispergovaných fragmentů oxidu křemičitého
Studie a snímky: Pohl a Schubert, 2004)

Vysoce výkonné ultrazvukové disperzní přístroje pro vysoce kvalitní formulace oxidu křemičitého

Hielscher Ultrasonics je německá rodinná firma specializovaná na vývoj, výrobu a dodávky vysoce výkonných ultrazvukových homogenizátorů pro zpracování kapalin, suspenzí s obsahem pevných látek a past. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher spolehlivě zpracovávají kaly oxidu křemičitého a jiné nanosuspenze tak, aby bylo dosaženo jakékoli požadované specifikace. Pomocí sonikace lze účinně dispergovat a deaglomerovat i formulace produktů, které jsou vysoce citlivé, abrazivní nebo vysoce viskózní. Naše pokročilé sonikátory jsou mimořádně všestranné a nabízejí důmyslné možnosti vsádkového i průtokového (inline) zpracování. Spolehlivě vysoké standardy kvality a reprodukovatelné výsledky jsou klíčovými vlastnostmi ultrazvukové disperze oxidu křemičitého.
Špičkové sonikátory Hielscher v průmyslovém provedení nabízejí chytré a uživatelsky přívětivé menu, programovatelná nastavení, automatické protokolování dat na integrovanou SD kartu, dálkové ovládání přes prohlížeč a vysokou robustnost.
Amplituda je nejvlivnějším parametrem ultrazvukového zpracování. Amplituda označuje maximální výchylku nebo pohyb ultrazvukové vlny mezi vrcholy (peak-to-peak). Pro ultrazvukovou disperzi, deaglomeraci a mokré mletí jsou často zapotřebí vysoké amplitudy, aby se dodalo dostatečné množství energie pro zmenšení velikosti částic. Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher dokážou poskytovat mimořádně vysoké amplitudy. S amplitudami až 200µm lze snadno nepřetržitě pracovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody.
Od malých a středně velkých sonikátorů pro výzkum a vývoj a pilotní provoz až po průmyslové systémy pro komerční výrobu oxidu křemičitého v kontinuálním režimu má Hielscher Ultrasonics ten správný ultrazvukový procesor, který pokryje vaše požadavky na špičkové zpracování oxidu křemičitého.

Návrh, výroba a poradenství – kvalita vyrobená v Německu

Sonikátory Hielscher jsou známé svými nejvyššími standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují bezproblémovou integraci našich sonikátorů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí sonikátory Hielscher snadno zvládají.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné sonikátory s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Sonikátory Hielscher jsou samozřejmě v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů:

Co je silika (SiO2, oxid křemičitý)?

Silika je chemická sloučenina složená z křemíku a kyslíku s chemickým vzorcem SiO2, neboli oxid křemičitý. Existuje mnoho různých forem oxidu křemičitého, jako je tavený křemen, dýmavý oxid křemičitý, silikagel a aerogely. Oxid křemičitý existuje jako složka několika minerálů a jako syntetický produkt. V přírodě se oxid křemičitý nejčastěji vyskytuje jako křemen a v různých živých organismech. Oxid křemičitý se získává těžbou a čištěním křemene. Třemi hlavními formami amorfního oxidu křemičitého jsou pyrogenní oxid křemičitý, srážený oxid křemičitý a silikagel.

Dýmavý oxid křemičitý / pyrogenní oxid křemičitý

Spalováním chloridu křemičitého (SiCl4) v kyslíkem bohatém vodíkovém plameni vzniká dým SiO2 – dýmavý oxid křemičitý. Dýmavý oxid křemičitý vzniká alternativně také odpařováním křemenného písku v elektrickém oblouku o teplotě 3000 °C. V obou procesech se vzniklé mikroskopické kapičky amorfního oxidu křemičitého spojují do rozvětvených, řetízkovitých, trojrozměrných sekundárních částic. Tyto sekundární částice poté aglomerují na bílý prášek s extrémně nízkou sypnou hmotností a velmi velkým povrchem. Velikost primárních částic neporézního dýmavého oxidu křemičitého je mezi 5 a 50 nm. Dýmavý oxid křemičitý má velmi silný zahušťovací účinek. Proto se dýmavý oxid křemičitý používá jako plnivo v silikonových elastomerech a k úpravě viskozity v barvách, povlacích, lepidlech, tiskových barvách nebo nenasycených polyesterových pryskyřicích. Dýmavý oxid křemičitý lze upravit tak, aby byl hydrofobní nebo hydrofilní, a to buď pro aplikace s organickými kapalinami, nebo pro vodné aplikace. Hydrofobní oxid křemičitý je účinnou složkou odpěňovačů (protipěnivé činidlo).
Klikněte sem a přečtěte si o ultrazvukovém odplyňování a odpěňování.
Dýmavý oxid křemičitý, číslo CAS 112945-52-5

Křemičitý úlet / mikrosilika

Křemičitý úlet je ultrajemný prášek nanometrické velikosti, známý také jako mikrosilika. Křemičitý úlet nelze zaměňovat s dýmavým oxidem křemičitým. Výrobní proces, morfologie částic i oblasti použití křemičitého úletu se od dýmavého oxidu křemičitého liší. Křemičitý úlet je amorfní, nekrystalická, polymorfní forma SiO2. Křemičitý úlet se skládá z kulovitých částic se středním průměrem částic 150 nm. Křemičitý úlet se nejvýznamněji uplatňuje jako pucolánový materiál pro vysokohodnotný beton. Přidává se do betonu z portlandského cementu ke zlepšení vlastností betonu, jako je pevnost v tlaku, přídržnost a odolnost proti obrusu. Kromě toho křemičitý úlet snižuje propustnost betonu pro chloridové ionty. Tím chrání výztužnou ocel betonu před korozí.
Chcete-li se dozvědět více o ultrazvukovém míchání cementu a křemičitého úletu, klikněte prosím sem!
Křemičitý úlet, číslo CAS: 69012-64-2, křemičitý úlet, číslo EINECS: 273-761-1

Srážený oxid křemičitý

Srážený oxid křemičitý je bílá prášková syntetická amorfní forma SiO2. Srážený oxid křemičitý se používá jako plnivo, změkčovadlo nebo ke zlepšení užitných vlastností plastů nebo pryže, např. pneumatik. Mezi další použití patří čisticí, zahušťovací nebo lešticí činidlo v zubních pastách.
Chcete-li se dozvědět více o ultrazvukovém míchání při výrobě zubních past, klikněte prosím sem!
Primární částice dýmavého oxidu křemičitého mají průměr mezi 5 a 100 nm, zatímco velikost aglomerátů je až 40 µm a průměrná velikost pórů je větší než 30 nm. Stejně jako pyrogenní oxid křemičitý není ani srážený oxid křemičitý v podstatě mikroporézní.
Dýmavý oxid křemičitý se vyrábí srážením z roztoku obsahujícího křemičitanové soli. Po reakci neutrálního roztoku křemičitanu s minerální kyselinou se do vody současně za míchání, například ultrazvukového, přidávají roztoky kyseliny sírové a křemičitanu sodného. Oxid křemičitý se sráží v kyselých podmínkách. Kromě faktorů, jako je doba srážení, rychlost přidávání reaktantů, teplota a koncentrace a pH, mohou vlastnosti oxidu křemičitého měnit i způsob a intenzita míchání. Sonomechanické míchání v ultrazvukové reaktorové komoře je účinnou metodou k dosažení konzistentní a rovnoměrné velikosti částic. Ultrazvukové míchání při zvýšených teplotách zabraňuje vzniku gelového stadia.
Další informace o ultrazvukově podporovaném srážení nanomateriálů, jako je srážený oxid křemičitý, získáte kliknutím sem!
Srážený oxid křemičitý, číslo CAS: 7631-86-9

Koloidní oxid křemičitý / koloid oxidu křemičitého

Koloidní oxid křemičitý je suspenze jemných neporézních, amorfních, převážně kulovitých částic oxidu křemičitého v kapalné fázi.
Koloidy oxidu křemičitého se nejčastěji používají jako odvodňovací prostředek při výrobě papíru, abrazivo pro leštění křemíkových destiček (waferů), katalyzátor v chemických procesech, absorbent vlhkosti, aditivum do povlaků odolných proti oděru nebo povrchově aktivní látka pro flokulaci, koagulaci, dispergaci nebo stabilizaci.
Chcete-li se dozvědět více o koloidním oxidu křemičitém v polymerních povlacích odolných proti oděru, klikněte prosím sem!

Výroba koloidního oxidu křemičitého je vícestupňový proces. Částečná neutralizace roztoku alkalického křemičitanu vede ke vzniku zárodků oxidu křemičitého. Podjednotky částic koloidního oxidu křemičitého se obvykle pohybují v rozmezí mezi 1 a 5 nm. V závislosti na podmínkách polymerace se tyto podjednotky mohou spojovat. Při snížení pH pod 7 nebo přidáním soli mají jednotky tendenci spojovat se do řetězců, které se často nazývají silikagely. Jinak zůstávají podjednotky oddělené a postupně rostou. Výsledné produkty se často nazývají soly oxidu křemičitého nebo srážený oxid křemičitý. Suspenze koloidního oxidu křemičitého se stabilizuje úpravou pH a poté se zahustí, např. odpařením.
Chcete-li se dozvědět více o sonomechanických účincích v procesech sol-gel, klikněte prosím sem!

Zdravotní rizika oxidu křemičitého

Suchý nebo vzduchem přenášený krystalický oxid křemičitý je karcinogen plic člověka, který může způsobit závažné onemocnění plic, rakovinu plic nebo systémová autoimunitní onemocnění. Když je prach oxidu křemičitého vdechnut a pronikne do plic, způsobuje tvorbu jizevnaté tkáně a snižuje schopnost plic přijímat kyslík (silikóza). Smáčení a dispergace SiO2 do kapalné fáze, např. ultrazvukovou homogenizací, eliminuje riziko vdechnutí. Proto je riziko, že kapalný produkt obsahující SiO2 způsobí silikózu, velmi nízké. Při manipulaci s oxidem křemičitým ve formě suchého prášku používejte prosím vhodné osobní ochranné prostředky!

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.