Ultralydsdispergering af silica (SiO2)

Silica, også kendt som SiO2, nanosilica eller mikrosilica, anvendes i tandpasta, cement, syntetisk gummi, højtydende polymerer eller i fødevarer som fortykningsmiddel, adsorbent, antiklumpningsmiddel eller bærer for duft- og smagsstoffer. Nedenfor kan du lære mere om anvendelserne af nanosilica og mikrosilica, og hvordan ultralydens sonomekaniske virkninger kan forbedre proceseffektiviteten og slutproduktets ydeevne ved at skabe bedre silicasuspensioner og lette syntesen af silicananopartikler.

Fordele ved ultralydsdispergering af nanosilica (SiO2)

Silica fås i en lang række hydrofile og hydrofobe former og har en ekstremt fin partikelstørrelse fra få mikrometer ned til nogle nanometer. Typisk er silica ikke godt dispergeret efter befugtning. Det tilfører også mange mikrobobler til produktformuleringen. Sonikering er en effektiv procesteknologi til at dispergere mikrosilica og nanosilica og fjerne opløst gas og mikrobobler fra formuleringen.

Ultralydsdispergering er en teknik, der anvender ultralydsbølger med høj intensitet og lav frekvens til at dispergere og deagglomerere partikler i et flydende medium. Ved dispergering af silica og nanosilica giver ultralydsdispergering flere fordele:
 

Betydningen af silicas partikelstørrelse

Ved mange anvendelser af silica i nano- eller mikrostørrelse er god og ensartet dispergering meget vigtig. Ofte kræves en monodispers silicasuspension, f.eks. til måling af partikelstørrelse. Især ved anvendelse i trykfarver eller belægninger og polymerer for at forbedre ridsebestandigheden skal silicapartiklerne være små nok til ikke at påvirke det synlige lys, så uklarhed undgås og gennemsigtigheden bevares. For de fleste belægninger skal silicapartiklerne være mindre end 40nm for at opfylde dette krav. Ved andre anvendelser hindrer agglomerering af silicapartikler hver enkelt silicapartikel i at interagere med de omgivende medier.
Ultralydshomogenisatorer er mere effektive til at dispergere silica end andre blandemetoder med høj forskydning, såsom rotationsblandere eller tankomrørere. Billedet nedenfor viser et typisk resultat af ultralydsdispergering af pyrogen silica i vand.

Ultralydsdispergering af pyrogen silica i vand

Proceseffektivitet ved reduktion af silicas partikelstørrelse

Ultralydsdispergering af nanosilica er bedre end andre blandemetoder med høj forskydning, såsom en IKA Ultra-Turrax. Ultralyd producerer suspensioner med mindre silicapartikelstørrelse, og sonikering er den mere energieffektive teknologi. Pohl og Schubert sammenlignede reduktionen af partikelstørrelsen af Aerosil 90 (2%wt) i vand ved hjælp af en Ultra-Turrax (rotor-stator-system) med reduktionen ved hjælp af en Hielscher UIP1000hd (1kW ultralydsapparat). Grafen nedenfor viser ultralydsprocessens overlegne resultater. På baggrund af sin undersøgelse konkluderede Pohl, at “Ved konstant specifik energi EV er ultralyd mere effektiv end rotor-stator-systemet.” Energieffektivitet og ensartet silicapartikelstørrelse er af allerstørste betydning i produktionsprocesser, hvor produktionsomkostninger, proceskapacitet og produktkvalitet er afgørende.

Ultralyd kontra Ultra-turrax til dispergering af silica

Billederne nedenfor viser de resultater, som Pohl opnåede ved sonikering af sprayfrysetørrede silicagranulater.

Til venstre: REM-billeder af sprayfrosne silicagranulater før ultralydsdeagglomerering
Til højre: TEM-billeder af ultralydsdispergerede silicafragmenter
Undersøgelse og billeder: Pohl og Schubert, 2004)

Højtydende ultralydsdispergeringsapparater til silicaformuleringer af høj kvalitet

Hielscher Ultrasonics er en tysk familieejet virksomhed, der er specialiseret i udvikling, fremstilling og levering af højtydende ultralydshomogenisatorer til behandling af væsker, suspensioner med faststofindhold og pastaer. Hielscher ultralydshomogenisatorer behandler pålideligt silicaopslæmninger og andre nanosuspensioner for at opnå enhver ønsket specifikation. Selv produktformuleringer, der er meget følsomme, abrasive eller meget viskøse, kan effektivt dispergeres og deagglomereres ved hjælp af sonikering. Vores avancerede ultralydsapparater er ekstremt alsidige og tilbyder sofistikerede muligheder for batch- og inlinebehandling. Pålideligt høje kvalitetsstandarder og reproducerbare resultater er centrale egenskaber ved ultralydsdispergering af silica.
Hielschers ultralydsapparater til industriel brug med den nyeste teknologi har en intelligent og brugervenlig menu, programmerbare indstillinger, automatisk datalogning på et integreret SD-kort, fjernstyring via browser og høj robusthed.
Amplituden er den parameter, der har størst indflydelse ved ultralydsbehandling. Amplitude henviser til en ultralydsbølges maksimale forskydning eller bevægelse fra top til top. Ved ultralydsdispergering, deagglomerering og vådformaling kræves der ofte høje amplituder for at tilføre tilstrækkelig energi til at reducere partikelstørrelsen. Hielschers industrielle ultralydsprocessorer kan levere usædvanligt høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder.
Fra små og mellemstore ultralydsapparater til forskning og udvikling og pilotforsøg til industrielle systemer til kommerciel silicafremstilling i kontinuerlig drift har Hielscher Ultrasonics den rette ultralydsprocessor til at opfylde dine krav til overlegen silicabehandling.

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielschers ultralydsapparater er velkendte for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsapparater i industrianlæg. Hielschers ultralydsapparater håndterer nemt barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielschers ultralydsapparater er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Tabellen nedenfor giver dig et indtryk af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Hvad er silica (SiO2, siliciumdioxid)?

Silica er en kemisk forbindelse bestående af silicium og ilt med den kemiske formel SiO2, eller siliciumdioxid. Der findes mange forskellige former for silica, såsom smeltet kvarts, pyrogen silica, silicagel og aerogeler. Silica forekommer som en forbindelse i flere mineraler og som syntetisk produkt. I naturen findes silica hyppigst som kvarts og i forskellige levende organismer. Siliciumdioxid udvindes ved minedrift og rensning af kvarts. De tre hovedformer af amorf silica er pyrogen silica, udfældet silica og silicagel.

Pyrogen silica / pyrogen silica

Forbrænding af siliciumtetrachlorid (SiCl4) i en iltrig brintflamme producerer en røg af SiO2 – pyrogen silica. Alternativt producerer fordampning af kvartssand i en 3000 °C elektrisk lysbue også pyrogen silica. I begge processer smelter de resulterende mikroskopiske dråber af amorf silica sammen til forgrenede, kædelignende, tredimensionelle sekundære partikler. Disse sekundære partikler agglomererer derefter til et hvidt pulver med ekstremt lav bulkdensitet og meget stort overfladeareal. Den ikke-porøse pyrogene silicas primære partikelstørrelse ligger mellem 5 og 50 nm. Pyrogen silica har en meget kraftig fortykkende virkning. Derfor anvendes pyrogen silica som fyldstof i silikoneelastomerer og til viskositetsjustering i maling, belægninger, klæbemidler, trykfarver eller umættede polyesterharpikser. Pyrogen silica kan behandles, så den bliver hydrofob eller hydrofil til anvendelser i enten organiske væsker eller vandige systemer. Hydrofob silica er en effektiv komponent i skumdæmpere (antiskummiddel).
Klik her for at læse om afgasning og skumdæmpning med ultralyd.
Pyrogen silica CAS-nummer 112945-52-5

Silicastøv / mikrosilica

Silicastøv er et ultrafint pulver i nanostørrelse, også kendt som mikrosilica. Silicastøv må ikke forveksles med pyrogen silica. Produktionsprocessen, partikelmorfologien og anvendelsesområderne for silicastøv adskiller sig alle fra dem for pyrogen silica. Silicastøv er en amorf, ikke-krystallinsk, polymorf form af SiO2. Silicastøv består af sfæriske partikler med en gennemsnitlig partikeldiameter på 150 nm. Den mest fremtrædende anvendelse af silicastøv er som puzzolanmateriale til højtydende beton. Det tilsættes portlandcementbeton for at forbedre betonens egenskaber, såsom trykstyrke, vedhæftningsstyrke og slidbestandighed. Derudover reducerer silicastøv betonens permeabilitet for chloridioner. Dette beskytter betonens armeringsstål mod korrosion.
Klik her for at lære mere om ultralydsblanding af cement og silicastøv!
Silicastøv CAS-nummer: 69012-64-2, silicastøv EINECS-nummer: 273-761-1

Udfældet silica

Udfældet silica er en hvid, pulverformig, syntetisk amorf form af SiO2. Udfældet silica anvendes som fyldstof, blødgøringsmiddel eller til forbedring af ydeevnen i plast eller gummi, f.eks. dæk. Andre anvendelser omfatter rense-, fortyknings- eller polermiddel i tandpasta.
Klik her for at lære mere om ultralydsblanding ved fremstilling af tandpasta!
Primære partikler af pyrogen silica har en diameter på mellem 5 og 100 nm, mens agglomeratstørrelsen er op til 40 µm, og den gennemsnitlige porestørrelse er større end 30 nm. Ligesom pyrogen silica er udfældet silica i det væsentlige ikke mikroporøs.
Pyrogen silica fremstilles ved udfældning fra en opløsning, der indeholder silikatsalte. Efter en reaktion mellem en neutral silikatopløsning og en mineralsyre tilsættes svovlsyre- og natriumsilikatopløsninger samtidigt til vand under omrøring, såsom ultralydsomrøring. Silica udfældes under sure betingelser. Ud over faktorer som udfældningens varighed, tilsætningshastigheden for reaktanterne, temperatur og koncentration samt pH kan omrøringens metode og intensitet ændre silicas egenskaber. Sonomekanisk omrøring i et ultralydsreaktorkammer er en effektiv metode til at producere en konsistent og ensartet partikelstørrelse. Ultralydsomrøring ved forhøjede temperaturer undgår dannelsen af et gelstadium.
Klik her for at få mere information om ultralydsassisteret udfældning af nanomaterialer, såsom udfældet silica!
Udfældet silica CAS-nummer: 7631-86-9

Kolloid silica / silicakolloid

Kolloid silica er en suspension af fine, ikke-porøse, amorfe, overvejende sfæriske silicapartikler i en væskefase.
De mest almindelige anvendelser af silicakolloider er som afvandingshjælpemiddel ved papirfremstilling, slibemiddel til polering af siliciumwafere, katalysator i kemiske processer, fugtabsorbent, tilsætningsstof til slidbestandige belægninger eller overfladeaktivt stof til flokkulering, koagulering, dispergering eller stabilisering.
Klik her for at lære mere om kolloid silica i slidbestandige polymerbelægninger!

Produktionen af kolloid silica er en proces med flere trin. Delvis neutralisering af en alkalisilikatopløsning fører til dannelse af silicakerner. Underenhederne i kolloide silicapartikler ligger typisk i området mellem 1 og 5 nm. Afhængigt af polymerisationsbetingelserne kan disse underenheder forbindes med hinanden. Ved at sænke pH til under 7 eller ved at tilsætte salt har enhederne tendens til at smelte sammen i kæder, som ofte kaldes silicageler. Ellers forbliver underenhederne adskilte og vokser gradvist. De resulterende produkter kaldes ofte silicasoler eller udfældet silica. En kolloid silicasuspension stabiliseres ved pH-justering og koncentreres derefter, f.eks. ved fordampning.
Klik her for at lære mere om sonomekaniske virkninger i sol-gel-processer!

Sundhedsrisici ved silica

Tørt eller luftbåret krystallinsk silikonedioxid er et lungekræftfremkaldende stof for mennesker, som kan forårsage alvorlig lungesygdom, lungekræft eller systemiske autoimmune sygdomme. Når silicastøv indåndes og trænger ind i lungerne, forårsager det dannelse af arvæv og reducerer lungernes evne til at optage ilt (silikose). Befugtning og dispergering af SiO2 i en væskefase, f.eks. ved ultralydshomogenisering, eliminerer risikoen for indånding. Derfor er risikoen for, at et flydende produkt, som indeholder SiO2, forårsager silikose, meget lav. Brug venligst egnede personlige værnemidler, når du håndterer silica i tør pulverform!

Litteratur

• 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.