Ultralydsdispersion af silica (SiO2)

Silica, også kendt som SiO2, nano-silica eller mikro-silica bruges i tandpasta, cement, syntetisk gummi, højtydende polymer eller i fødevarer som fortykningsmiddel, adsorbent, antiklumpningsmiddel eller bærer til dufte og smagsstoffer. Nedenfor vil du lære mere om brugen af nanosilica og mikrosilica, og hvordan de sonomekaniske virkninger af ultralyd kan forbedre proceseffektiviteten og slutproduktets ydeevne ved at lave bedre silicasuspensioner og lette silica nanopartikelsyntese.

Fordele ved ultralydsdispersion af nanosilica (SiO2)

Silica fås i en bred vifte af hydrofile og hydrofobe former og har en ekstremt fin partikelstørrelse på få mikrometer ned til nogle nanometer. Typisk spredes silica ikke godt efter befugtning. Det tilføjer også en masse mikrobobler til produktformuleringen. Ultralydbehandling er en effektiv procesteknologi til at dispergere mikrosilica og nanosilica og fjerne opløst gas og mikrobobler fra formuleringen.

Ultralydsdispersion er en teknik, der anvender højintensive, lavfrekvente ultralydsbølger til at sprede og deagglomerere partikler i et flydende medium. Når det kommer til spredning af silica og nano-silica, tilbyder ultralydsdispersion flere fordele:
 

Betydningen af partikelstørrelse af silica

For mange anvendelser af silica i nanostørrelse eller mikrostørrelse er en god og ensartet dispersion meget vigtig. Ofte kræves en monodispers silicasuspension, f.eks. til partikelstørrelsesmåling. Især til brug i farver eller belægninger og polymerer for at forbedre ridsefastheden, skal silicapartiklerne være små nok til ikke at forstyrre det synlige lys for at undgå dis og bevare gennemsigtigheden. For de fleste belægninger skal silicapartikler være mindre end 40 nm for at opfylde dette krav. Til andre anvendelser forhindrer agglomerering af silicapartikler hver enkelt silicapartikel i at interagere med det omgivende medie.
Ultralydshomogenisatorer er mere effektive til dispergering af silica end andre blandingsmetoder med høj forskydning, såsom roterende blandere eller tankomrørere. Billedet nedenfor viser et typisk resultat af ultralydsdispergering af røget silica i vand.

Ultralydsdispersion af røget silica i vand

Forarbejdningseffektivitet ved reduktion af silicastørrelse

Ultralydsdispersion af nano-silica er overlegen i forhold til andre blandingsmetoder med høj forskydning, såsom en IKA Ultra-Turrax. Ultralyd producerer suspensioner af en mindre silicapartikelstørrelse, og ultralydbehandling er den mere energieffektive teknologi. Pohl og Schubert sammenlignede partikelstørrelsesreduktionen af Aerosil 90 (2 % vægt) i vand ved hjælp af en Ultra-Turrax (rotor-stator-system) med en Hielscher UIP1000hd (1 kW ultralydsenhed). Grafikken nedenfor viser de overlegne resultater af ultralydsprocessen. Som et resultat af sin undersøgelse konkluderede Pohl, at "Ved konstant specifik energi er EV-ultralyd mere effektiv end rotor-stator-systemet." Energieffektivitet og ensartethed i silicapartikelstørrelse er af største betydning i produktionsprocesser, hvor produktionsomkostninger, proceskapacitet og produktkvalitet betyder noget.

Ultralyd vs. Ultra-turrax til silicadispersion

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

Til venstre: REM-billeder af sprayfrysning af silicagranulat før ultralydsdeagglomerering
Til højre: TEM-billeder af ultralydsdispergerede silicafragmenter
Studie og billeder: Pohl og Schubert, 2004)

Højtydende ultralydsdispergeringsmidler 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, fastbelastede suspensioner og pastaer. Hielscher ultralydshomogenisatorer behandler pålideligt silica-opslæmninger og andre nano-supensioner for at opnå enhver ønsket specifikation. Selv produktformuleringer, der er meget følsomme, slibende eller meget tyktflydende, kan effektivt dispergeres og deagglomerering ved hjælp af ultralydbehandling. Vores avancerede ultralydapparater er ekstremt alsidige og tilbyder sofistikerede batch- og inline-behandlingsmuligheder. Pålidelige høje kvalitetsstandarder og reproducerbare resultater er nøgletræk ved ultralydssilicadispersion.
Hielscher state-of-the-art ultralydapparater i industriel kvalitet har en smart og brugervenlig menu, programmerbare indstillinger, automatisk dataprotokol på et integreret SD-kort, browserfjernbetjening og høj robusthed.
Amplituden er den mest indflydelsesrige parameter, når det kommer til ultralydsbehandling. Amplitude refererer til den maksimale forskydning eller top-til-top-bevægelse af en ultralydsbølge. Til ultralydsdispersion, deagglomerering og vådfræsning kræves ofte høje amplituder for at anvende tilstrækkelig energi til reduktion af partikelstørrelse. Hielscher industrielle ultralydsprocessorer kan levere usædvanligt høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige.
Fra lille og mellemstor R&D og pilot ultralydapparater til industrielle systemer til kommerciel silicafremstilling i kontinuerlig tilstand, Hielscher Ultrasonics har den rigtige ultralydsprocessor til at dække dine krav til overlegen silicabehandling.

Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

Hvad er silica (SiO2, siliciumdioxid)?

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

Røget silica / pyrogen silica

Forbrænding af siliciumtetrachlorid (SiCl4) i en iltrig brintflamme producerer en røg af SiO2 – røget silica. Alternativt producerer fordampning af kvartssand i en 3000 °C elektrisk lysbue også røget 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 massefylde og meget højt overfladeareal. Den primære partikelstørrelse af den ikke-porøse røgede silica er mellem 5 og 50 nm. Røget silica har en meget stærk fortykningseffekt. Derfor bruges røget silica som fyldstof i silikoneelastomer og viskositetsjustering i maling, belægninger, klæbemidler, trykfarver eller umættede polyesterharpikser. Fumed Silica kan behandles for at gøre det hydrofobt eller hydrofilt til enten organisk væske eller vandige applikationer. Hydrofob silica er en effektiv skumdæmperkomponent (skumdæmpende middel).
Klik her for at læse om ultralydsafgasning og skumdæmpning.
Røget silica CAS-nummer 112945-52-5

Silica røg / mikrosilica

Silicarøg er et ultrafint pulver i nanostørrelse, også kendt som mikrosilica. Silicarøg må ikke forveksles med røget silica. Produktionsprocessen, partikelmorfologien og anvendelsesområderne for silicarøg er alle forskellige fra dem for røget silica. Silicarøg er en amorf, ikke-krystallinsk, polymorf form af SiO2. Silicarøg består af sfæriske partikler med en gennemsnitlig partikeldiameter på 150 nm. Den mest fremtrædende anvendelse af silicarøg er som pozzolanmateriale til højtydende beton. Det tilsættes til Portland cementbeton for at forbedre betonegenskaber, såsom trykstyrke, bindingsstyrke og slidstyrke. Derudover reducerer silicarøg betonens permeabilitet over for kloridioner. Dette beskytter armeringsstålet af beton mod korrosion.
For at lære mere om ultralydsblanding af cement og silicadamp, klik venligst her!
CAS-nummer for silicadryg: 69012-64-2, EINECS-nummer for silicadryg: 273-761-1

Udfældet silica

Udfældet silica er hvid pulverformig syntetisk amorf form af SiO2. Udfældet silica bruges som fyldstof, blødgøringsmiddel eller ydelsesforbedring i plast eller gummi, f.eks. dæk. Andre anvendelser omfatter rengørings-, fortyknings- eller poleringsmiddel i tandpastaer.
For at lære mere om ultralydsblanding i tandpastafremstilling, klik venligst her!
Primære partikler af røget silica har en diameter på mellem 5 og 100 nm, mens agglomeratstørrelsen er op til 40 μm med den gennemsnitlige porestørrelse er større end 30 nm. Ligesom pyrogen silica er udfældet silica i det væsentlige ikke mikroporøs.
Fumed Silica fremstilles ved udfældning fra en opløsning indeholdende silikatsalte. Efter en reaktion af en neutral silikatopløsning med en mineralsyre, tilsættes svovlsyre og natriumsilikatopløsninger samtidigt med omrøring, såsom ultralydomrøring, til vand. Silica udfældes under sure forhold. Udover faktorer, såsom nedbørens varighed, tilsætningshastigheden af reaktanter, temperatur og koncentration og pH, kan metoden og intensiteten af omrøring variere silicaens egenskaber. Sonomekanisk omrøring i et ultralydsreaktorkammer er en effektiv metode til at producere en ensartet og ensartet partikelstørrelse. Ultralydomrøring ved forhøjede temperaturer undgår dannelsen af et geltrin.
For mere information om ultralydassisteret udfældning af nanomaterialer, såsom udfældet silica, klik venligst her!
CAS-nummer for udfældet silica: 7631-86-9

Kolloid silica / silica kolloid

Kolloid silica er en suspension af fine ikke-porøse, amorfe, for det meste sfæriske silicapartikler i en flydende fase.
De mest almindelige anvendelser af silicakolloider er som dræningshjælp til papirfremstilling, slibemiddel til polering af siliciumskiver, katalysator i kemiske processer, fugtabsorberende, additiv til slidbestandige belægninger eller overfladeaktivt middel til flokkulering, koagulering, dispergering eller stabilisering.
For at lære mere om kolloid silica i slidbestandige polymerbelægninger, klik venligst her!

Produktionen af kolloid silica er en proces i flere trin. Delvis neutralisering af en alkali-silikatopløsning fører til dannelse af silicakerner. Underenhederne af kolloide silicapartikler er typisk i området mellem 1 og 5 nm. Afhængig af polymerisationsbetingelserne kan disse underenheder sammenføjes. Ved at sænke pH til under 7 eller ved tilsætning af salt har enhederne en tendens til at smelte sammen i kæder, som ofte kaldes silicageler. Ellers forbliver underenhederne adskilt 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.
For at lære mere om sonomekaniske effekter i sol-gel-processer, klik venligst her!

Silica sundhedsrisiko

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

Litteratur