Ultrazvuková disperze oxidu křemičitého (SiO2)

Oxid křemičitý, známý také jako SiO2, nanooxid křemičitý nebo mikrooxid křemičitý, se používá v zubních pastách, cementu, syntetickém kaučuku, vysoce výkonném polymeru nebo v potravinářských výrobcích jako zahušťovadlo, adsorbent, protispékavé činidlo nebo nosič pro vůně a příchutě. Níže se dozvíte více o použití nanooxidu křemičitého a mikrosiliky a o tom, jak sonomechanické účinky ultrazvuku mohou zlepšit efektivitu procesu a výkon konečného produktu tím, že vytvoří lepší suspenze oxidu křemičitého a usnadní syntézu nanočástic oxidu křemičitého.

Výhody ultrazvukové disperze nanooxidu křemičitého (SiO2)

Oxid křemičitý je k dispozici v široké škále hydrofilních a hydrofobních forem a má extrémně jemnou velikost částic od několika mikrometrů až po několik nanometrů. Oxid křemičitý se po navlhčení obvykle špatně rozptýlí. Přidává také do složení produktu spoustu mikrobublin. Ultrazvuku je účinná procesní technologie pro dispergaci mikrooxidu křemičitého a nanooxidu křemičitého a odstranění rozpuštěného plynu a mikrobublin z formulace.

Ultrazvuková disperze je technika, která využívá ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou a nízkou frekvencí k rozptýlení a deaglomeraci částic v kapalném médiu. Pokud jde o disperzi oxidu křemičitého a nanooxidu křemičitého, ultrazvuková disperze nabízí několik výhod:
 

Význam velikosti částic oxidu křemičitého

Pro mnoho aplikací oxidu křemičitého o velikosti nano nebo mikrovelikosti je velmi důležitá dobrá a rovnoměrná disperze. Často je vyžadována monodisperzní suspenze oxidu křemičitého, např. pro měření velikosti částic. Zejména pro použití v inkoustech nebo nátěrech a polymerech pro zlepšení odolnosti proti poškrábání musí být částice oxidu křemičitého dostatečně malé, aby nerušily viditelné světlo, aby se zabránilo zákalu a zachovala se průhlednost. U většiny nátěrů musí být částice oxidu křemičitého menší než 40 nm, aby byl tento požadavek splněn. U jiných aplikací aglomerace částic oxidu křemičitého brání interakci každé jednotlivé částice oxidu křemičitého s okolním médiem.
Ultrazvukové homogenizátory jsou při dispergaci oxidu křemičitého účinnější než jiné metody míchání s vysokým smykem, jako jsou rotační mixéry nebo míchadla nádrží. Na obrázku níže je znázorněn typický výsledek ultrazvukové disperze dýmavého oxidu křemičitého ve vodě.

Ultrazvuková disperze dýmavého oxidu křemičitého ve vodě

Efektivita zpracování při zmenšování velikosti oxidu křemičitého

Ultrazvuková disperze nanooxidu křemičitého je lepší než jiné metody míchání s vysokým smykovým třením, jako je IKA Ultra-Turrax. Ultrazvuk produkuje suspenze s menší velikostí částic oxidu křemičitého a ultrazvuku je energeticky účinnější technologie. Pohl a Schubert porovnávali snížení velikosti částic Aerosilu 90 (2 % hm) ve vodě pomocí Ultra-Turrax (systém rotor-stator-systém) s Hielscher UIP1000hd (1kW ultrazvukové zařízení). Níže uvedený graf ukazuje vynikající výsledky ultrazvukového procesu. Na základě své studie Pohl dospěl k závěru, že "při konstantní specifické energii je ultrazvuk EV účinnější než systém rotor-stator". Energetická účinnost a rovnoměrnost velikosti částic oxidu křemičitého jsou nanejvýš důležité ve výrobních procesech, kde záleží na výrobních nákladech, procesní kapacitě a kvalitě produktu.

Ultrazvuk vs. Ultra-turrax pro disperzi oxidu křemičitého

Níže uvedené obrázky ukazují výsledky, které Pohl získal sonikací mrazem sušených granulí oxidu křemičitého ve spreji.

Vlevo: REM obrázky postřikových zmrazovacích granulí oxidu křemičitého před ultrazvukovou deaglomerací
Vpravo: TEM snímky ultrazvukem dispergovaných fragmentů oxidu křemičitého
Studie a obrazy: Pohl a Schubert, 2004)

Vysoce výkonné ultrazvukové dispergátory pro vysoce kvalitní formulace oxidu křemičitého

Hielscher Ultrasonics je německá rodinná firma specializující se na vývoj, výrobu a dodávky vysoce výkonných ultrazvukových homogenizátorů pro úpravu kapalin, pevných suspenzí a past. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher spolehlivě zpracovávají křemičité suspenze a další nano-supenze, aby bylo možné získat jakoukoli požadovanou specifikaci. Dokonce i formulace produktů, které jsou vysoce citlivé, abrazivní nebo vysoce viskózní, mohou být účinně dispergovány a deaglomerovány pomocí ultrazvuku. Naše pokročilé ultrasonicators jsou extrémně univerzální a nabízejí sofistikované možnosti dávkového a inline ošetření. Spolehlivě, vysoké standardy kvality a reprodukovatelné výsledky jsou klíčovými vlastnostmi ultrazvukové disperze oxidu křemičitého.
Hielscher nejmodernější průmyslové ultrasonicators mají inteligentní a uživatelsky přívětivé menu, programovatelná nastavení, automatické protokolování dat na integrované SD kartě, dálkové ovládání prohlížeče a vysokou robustnost.
Amplituda je nejvlivnějším parametrem, pokud jde o ultrazvukové zpracování. Amplituda se vztahuje k maximálnímu posunutí nebo pohybu ultrazvukové vlny mezi špičkami. Pro ultrazvukovou disperzi, deaglomeraci a mokré mletí jsou často vyžadovány vysoké amplitudy, aby bylo možné použít dostatečnou energii pro snížení velikosti částic. Hielscher průmyslové ultrazvukové procesory mohou poskytovat výjimečně vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.
Od malých a středně velkých R&D a pilotní ultrasonicators pro průmyslové systémy pro komerční výrobu oxidu křemičitého v kontinuálním režimu, Hielscher Ultrasonics má ten správný ultrazvukový procesor, který pokryje vaše požadavky na vynikající zpracování oxidu křemičitého.

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

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

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:

Co je oxid křemičitý (SiO2, oxid křemičitý)?

Oxid křemičitý je chemická sloučenina složená z křemíku a kyslíku s chemickým vzorcem SiO2 nebo oxid křemičitý. Existuje mnoho různých forem oxidu křemičitého, jako je tavený křemen, dýmavý oxid křemičitý, silikagel a aerogely. Oxid křemičitý existuje jako sloučenina několika minerálů a jako syntetický produkt. Oxid křemičitý se v přírodě nejčastěji vyskytuje jako křemen a v různých živých organismech. Oxid křemičitý se získává těžbou a čištěním křemene. Tři hlavní formy amorfního oxidu křemičitého jsou pyrogenní oxid křemičitý, vysrážený oxid křemičitý a silikagel.

Dýmavý oxid křemičitý / pyrogenní oxid křemičitý

Spalováním chloridu křemičitého (SiCl4) ve vodíkovém plameni bohatém na kyslík vzniká kouř SiO2 – dýmavý oxid křemičitý. Alternativou je odpařování křemičitého písku v elektrickém oblouku o teplotě 3000 °C, který také produkuje kouřový oxid křemičitý. V obou procesech se výsledné mikroskopické kapičky amorfního oxidu křemičitého spojují do rozvětvených, řetězovitých, trojrozměrných sekundárních částic. Tyto sekundární částice se pak aglomerují do bílého prášku s extrémně nízkou objemovou hmotností a velmi vysokým 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 silikonovém elastomeru a úprava viskozity v barvách, nátěrech, lepidlech, tiskařských barvách nebo nenasycených polyesterových pryskyřicích. Dýmavý oxid křemičitý lze upravit tak, aby byl hydrofobní nebo hydrofilní pro organické kapalné nebo vodné aplikace. Hydrofobní oxid křemičitý je účinná odpěňovací složka (protipěnivý prostředek).
Klikněte zde a přečtěte si o ultrazvukovém odplyňování a odpěňování.
Dýmavý oxid křemičitý Číslo CAS: 112945-52-5

Křemičitý výpar / mikrosilika

Křemičitý výpar je ultrajemný prášek o nanovelikosti, známý také jako mikrooxid křemičitý. Křemičitý výpar nesmí být zaměňován s dýmavým oxidem křemičitým. Výrobní proces, morfologie částic a oblasti použití křemičitého výparu se liší od procesu výroby dýmavého oxidu křemičitého. Křemičitý výpar je amorfní, nekrystalická, polymorfní forma SiO2. Křemičitý výpar se skládá z kulových částic s průměrným průměrem částic 150 nm. Nejvýznamnější použití křemičitých výparů je jako pucolánový materiál pro vysokohodnotný beton. Přidává se do portlandského cementového betonu pro zlepšení vlastností betonu, jako je pevnost v tlaku, pevnost spoje a odolnost proti oděru. Kromě toho křemičitý výpar snižuje propustnost betonu pro chloridové ionty. To chrání betonářskou ocel před korozí.
Chcete-li se dozvědět více o ultrazvukovém míchání cementu a křemičitých výparů, klikněte prosím zde!
Oxid křemičitý Číslo CAS: 69012-64-2, Křemičitý výpar Číslo EINECS: 273-761-1

Vysrážený oxid křemičitý

Vysrážený oxid křemičitý je bílá prášková syntetická amorfní forma SiO2. Vysrážený oxid křemičitý se používá jako plnivo, změkčovadlo nebo zlepšení výkonu v plastech nebo pryži, např. v pneumatikách. Mezi další použití patří čisticí, zahušťovací nebo lešticí prostředek v zubních pastách.
Chcete-li se dozvědět více o ultrazvukovém míchání při výrobě zubních past, klikněte zde!
Primární částice dýmavého oxidu křemičitého mají průměr mezi 5 a 100 nm, zatímco velikost aglomerátu je až 40 μm s průměrnou velikostí pórů větší než 30 nm. Stejně jako pyrogenní oxid křemičitý není vysrážený oxid křemičitý v podstatě mikroporézní.
Dýmavý oxid křemičitý se vyrábí srážením z roztoku obsahujícího silikátové soli. Po reakci neutrálního silikátového roztoku s minerální kyselinou se do vody přidají roztoky kyseliny sírové a křemičitanu sodného současně s mícháním, jako je ultrazvukové míchání. Oxid křemičitý se vysráží v kyselém prostředí. Kromě faktorů, jako je doba trvání srážek, rychlost adice reaktantů, teplota a koncentrace a pH, může metoda a intenzita míchání měnit vlastnosti oxidu křemičitého. Sonomechanické míchání v komoře ultrazvukového reaktoru je účinná metoda k výrobě konzistentní a rovnoměrné velikosti částic. Ultrazvukové míchání při zvýšených teplotách zabraňuje tvorbě gelového stupně.
Pro více informací o ultrazvukem asistovaném srážení nanomateriálů, jako je vysrážený oxid křemičitý, klikněte prosím zde!
Vysrážený oxid křemičitý Číslo CAS: 7631-86-9

Koloidní oxid křemičitý / Koloid oxidu křemičitého

Koloidní oxid křemičitý je suspenze jemných neporézních, amorfních, většinou kulovičitých částic oxidu křemičitého v kapalné fázi.
Nejběžnější použití koloidů oxidu křemičitého jsou jako drenážní pomůcka při výrobě papíru, abrazivo pro leštění křemíkových destiček, katalyzátor v chemických procesech, absorbent vlhkosti, přísada 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 zde!

Výroba koloidního oxidu křemičitého je vícestupňový proces. Částečná neutralizace alkalicko-silikátového roztoku vede k tvorbě jader oxidu křemičitého. Podjednotky částic koloidního oxidu křemičitého se obvykle pohybují v rozmezí 1 až 5 nm. V závislosti na podmínkách polymerace mohou být tyto podjednotky spojeny dohromady. Snížením pH pod 7 nebo přidáním soli mají jednotky tendenci se spojovat do řetězců, které se často nazývají silikagely. Jinak podjednotky zůstávají oddělené a rostou postupně. Výsledné produkty se často nazývají soly oxidu křemičitého nebo vysrážený oxid křemičitý. Koloidní suspenze oxidu křemičitého se stabilizuje úpravou pH a poté se koncentruje, např. odpařováním.
Chcete-li se dozvědět více o sonomechanických účincích v procesech sol-gel, klikněte zde!

Zdravotní riziko oxidu křemičitého

Suchý nebo vzduchem přenášený krystalický oxid křemičitý je lidský plicní karcinogen, který může způsobit vážné plicní onemocnění, rakovinu plic nebo systémová autoimunitní onemocnění. Když je křemičitý prach vdechován a dostává se do plic, způsobuje tvorbu jizevnaté tkáně a snižuje schopnost plic přijímat kyslík (silikóza). Smáčení a disperze SiO2 do kapalné fáze, např. ultrazvukovou homogenizací, eliminuje riziko vdechnutí. Proto je riziko, že kapalný produkt, který obsahuje SiO2, způsobí silikózu, velmi nízké. Při manipulaci s oxidem křemičitým v suché práškové formě používejte vhodné osobní ochranné prostředky!

Literatura