Ultraschalldispergierung von Siliziumdioxid (SiO2)

Siliziumdioxid, auch als SiO2, Nanosilica oder Mikrosilica bekannt, wird in Zahnpasta, Zement, synthetischem Kautschuk, Hochleistungspolymeren oder Lebensmitteln als Verdickungsmittel, Adsorbens, Antibackmittel oder Träger für Duft- und Aromastoffe eingesetzt. Im Folgenden erfahren Sie mehr über die Anwendungen von Nanosilica und Mikrosilica und darüber, wie die sonomechanischen Effekte des Ultraschalls die Prozesseffizienz und die Eigenschaften des Endprodukts verbessern können, indem sie bessere Siliziumdioxidsuspensionen erzeugen und die Synthese von Siliziumdioxid-Nanopartikeln erleichtern.

Vorteile der Ultraschalldispergierung von Nanosilica (SiO2)

Siliziumdioxid ist in einer Vielzahl hydrophiler und hydrophober Formen verfügbar und weist eine äußerst feine Partikelgröße von wenigen Mikrometern bis hinunter zu einigen Nanometern auf. Nach der Benetzung ist Siliziumdioxid üblicherweise nicht gut dispergiert. Außerdem bringt es viele Mikrobläschen in die Produktformulierung ein. Die Ultraschallbehandlung ist eine wirksame Prozesstechnologie, um Mikrosilica und Nanosilica zu dispergieren und gelöstes Gas sowie Mikrobläschen aus der Formulierung zu entfernen.

Die Ultraschalldispergierung ist ein Verfahren, bei dem niederfrequente Ultraschallwellen hoher Intensität eingesetzt werden, um Partikel in einem flüssigen Medium zu dispergieren und zu deagglomerieren. Bei der Dispergierung von Siliziumdioxid und Nanosilica bietet die Ultraschalldispergierung mehrere Vorteile:
 

Die Bedeutung der Partikelgröße von Siliziumdioxid

Für viele Anwendungen von Siliziumdioxid im Nano- oder Mikrometerbereich ist eine gute und gleichmäßige Dispergierung sehr wichtig. Häufig ist eine monodisperse Siliziumdioxidsuspension erforderlich, beispielsweise für die Partikelgrößenmessung. Insbesondere beim Einsatz in Tinten oder in Beschichtungen und Polymeren zur Verbesserung der Kratzfestigkeit müssen die Siliziumdioxidpartikel klein genug sein, um sichtbares Licht nicht zu beeinträchtigen, damit Trübungen vermieden werden und die Transparenz erhalten bleibt. Bei den meisten Beschichtungen müssen die Siliziumdioxidpartikel kleiner als 40nm sein, um diese Anforderung zu erfüllen. Bei anderen Anwendungen behindert die Agglomeration von Siliziumdioxidpartikeln die Wechselwirkung jedes einzelnen Partikels mit den umgebenden Medien.
Ultraschallhomogenisatoren dispergieren Siliziumdioxid wirksamer als andere Mischverfahren mit hoher Scherung, etwa Rotationsmischer oder Behälterrührwerke. Das folgende Bild zeigt ein typisches Ergebnis der Ultraschalldispergierung von pyrogener Kieselsäure in Wasser.

Ultraschalldispergierung von pyrogener Kieselsäure in Wasser

Prozesseffizienz bei der Partikelgrößenreduzierung von Siliziumdioxid

Die Ultraschalldispergierung von Nanosilica ist anderen Mischverfahren mit hoher Scherung, etwa einem IKA Ultra-Turrax, überlegen. Ultraschall erzeugt Suspensionen mit kleineren Siliziumdioxidpartikeln, und die Ultraschallbehandlung ist die energieeffizientere Technologie. Pohl und Schubert verglichen die Partikelgrößenreduzierung von Aerosil 90 (2%wt) in Wasser mit einem Ultra-Turrax (Rotor-Stator-System) mit derjenigen durch einen Hielscher UIP1000hd (1kW-Ultraschallgerät). Die folgende Grafik zeigt die überlegenen Ergebnisse des Ultraschallverfahrens. Als Ergebnis seiner Studie kam Pohl zu dem Schluss: „Bei konstanter spezifischer Energie EV ist Ultraschall wirksamer als das Rotor-Stator-System.“ Energieeffizienz und eine einheitliche Partikelgröße des Siliziumdioxids sind von größter Bedeutung für Produktionsprozesse, bei denen Herstellungskosten, Prozesskapazität und Produktqualität entscheidend sind.

Ultraschall im Vergleich zu Ultra-Turrax bei der Dispergierung von Siliziumdioxid

Die folgenden Bilder zeigen die Ergebnisse, die Pohl durch die Beschallung sprühgefriergetrockneter Siliziumdioxidgranulate erzielte.

Links: REM-Aufnahmen von sprühgefriergetrockneten Siliziumdioxidgranulaten vor der Ultraschalldeagglomeration
Rechts: TEM-Aufnahmen von ultraschalldispergierten Siliziumdioxidfragmenten
Studie und Bilder: Pohl und Schubert, 2004

Hochleistungs-Ultraschalldispergierer für hochwertige Siliziumdioxidformulierungen

Hielscher Ultrasonics ist ein deutsches Familienunternehmen, das auf die Entwicklung, Herstellung und Lieferung von Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren zur Behandlung von Flüssigkeiten, feststoffbeladenen Suspensionen und Pasten spezialisiert ist. Die Ultraschallhomogenisatoren von Hielscher verarbeiten Siliziumdioxidschlämme und andere Nanosuspensionen zuverlässig, um jede gewünschte Spezifikation zu erreichen. Selbst hochempfindliche, abrasive oder hochviskose Produktformulierungen lassen sich durch Ultraschall effizient dispergieren und deagglomerieren. Unsere fortschrittlichen Ultraschallgeräte sind äußerst vielseitig und bieten ausgereifte Möglichkeiten für die Chargen- und Inline-Behandlung. Zuverlässig hohe Qualitätsstandards und reproduzierbare Ergebnisse sind wesentliche Merkmale der Ultraschalldispergierung von Siliziumdioxid.
Die modernen industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher zeichnen sich durch eine intelligente und benutzerfreundliche Menüführung, programmierbare Einstellungen, automatische Datenprotokollierung auf einer integrierten SD-Karte, Fernsteuerung über den Browser und hohe Robustheit aus.
Die Amplitude ist der einflussreichste Parameter bei der Ultraschallverarbeitung. Die Amplitude bezeichnet die maximale Auslenkung oder die Spitze-zu-Spitze-Bewegung einer Ultraschallwelle. Für die Ultraschalldispergierung, Deagglomeration und Nassvermahlung sind häufig hohe Amplituden erforderlich, um ausreichend Energie für die Partikelgrößenreduzierung einzutragen. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können außergewöhnlich hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb einsetzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich.
Von kleinen und mittelgroßen Ultraschallgeräten für Forschung und Entwicklung sowie Pilotversuche bis hin zu industriellen Systemen für die kommerzielle Siliziumdioxidherstellung im kontinuierlichen Betrieb bietet Hielscher Ultrasonics den passenden Ultraschallprozessor, um Ihre Anforderungen an eine hochwertige Siliziumdioxidverarbeitung zu erfüllen.

Entwicklung, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Die Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf Hochleistungs-Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Was ist Silica (SiO2, Siliziumdioxid)?

Silica, auch Siliziumdioxid genannt, ist eine chemische Verbindung aus Silizium und Sauerstoff mit der chemischen Formel SiO2. Es gibt viele verschiedene Formen von Siliziumdioxid, etwa Quarzglas, pyrogene Kieselsäure, Kieselgel und Aerogele. Siliziumdioxid kommt als Verbindung in mehreren Mineralen sowie als synthetisches Produkt vor. In der Natur findet sich Siliziumdioxid am häufigsten als Quarz und in verschiedenen lebenden Organismen. Siliziumdioxid wird durch den Abbau und die Reinigung von Quarz gewonnen. Die drei Hauptformen von amorphem Siliziumdioxid sind pyrogene Kieselsäure, Fällungskieselsäure und Kieselgel.

Pyrogene Kieselsäure / Pyrogenes Siliziumdioxid

Bei der Verbrennung von Siliziumtetrachlorid (SiCl4) in einer sauerstoffreichen Wasserstoffflamme entsteht ein Rauch aus SiO2 – pyrogene Kieselsäure. Alternativ entsteht pyrogene Kieselsäure auch durch das Verdampfen von Quarzsand in einem 3000 °C heißen Lichtbogen. Bei beiden Verfahren verschmelzen die entstehenden mikroskopisch kleinen Tröpfchen aus amorphem Siliziumdioxid zu verzweigten, kettenartigen, dreidimensionalen Sekundärpartikeln. Diese Sekundärpartikel agglomerieren anschließend zu einem weißen Pulver mit extrem geringer Schüttdichte und sehr großer Oberfläche. Die Primärpartikelgröße der nichtporösen pyrogenen Kieselsäure liegt zwischen 5 und 50 nm. Pyrogene Kieselsäure hat eine sehr starke verdickende Wirkung. Daher wird sie als Füllstoff in Silikonelastomeren und zur Einstellung der Viskosität in Farben, Beschichtungen, Klebstoffen, Druckfarben oder ungesättigten Polyesterharzen eingesetzt. Pyrogene Kieselsäure kann so behandelt werden, dass sie für Anwendungen in organischen Flüssigkeiten oder wässrigen Medien hydrophob oder hydrophil wird. Hydrophobe Kieselsäure ist eine wirksame Entschäumerkomponente (Antischaummittel).
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CAS-Nummer von pyrogener Kieselsäure: 112945-52-5

Silikastaub / Mikrosilica

Silikastaub ist ein ultrafeines, nanoskaliges Pulver, das auch als Mikrosilica bekannt ist. Silikastaub darf nicht mit pyrogener Kieselsäure verwechselt werden. Herstellungsverfahren, Partikelmorphologie und Anwendungsgebiete von Silikastaub unterscheiden sich von denen pyrogener Kieselsäure. Silikastaub ist eine amorphe, nichtkristalline, polymorphe Form von SiO2. Silikastaub besteht aus kugelförmigen Partikeln mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 150 nm. Die wichtigste Anwendung von Silikastaub ist der Einsatz als puzzolanisches Material für Hochleistungsbeton. Er wird Portlandzementbeton zugesetzt, um Betoneigenschaften wie Druckfestigkeit, Verbundfestigkeit und Abriebfestigkeit zu verbessern. Darüber hinaus verringert Silikastaub die Durchlässigkeit des Betons für Chloridionen. Dadurch wird der Bewehrungsstahl im Beton vor Korrosion geschützt.
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CAS-Nummer von Silikastaub: 69012-64-2, EINECS-Nummer von Silikastaub: 273-761-1

Fällungskieselsäure

Fällungskieselsäure ist eine weiße, pulverförmige, synthetische, amorphe Form von SiO2. Fällungskieselsäure wird als Füllstoff, Weichmacher oder zur Verbesserung der Eigenschaften von Kunststoffen oder Kautschuk eingesetzt, beispielsweise in Reifen. Weitere Anwendungen sind der Einsatz als Reinigungs-, Verdickungs- oder Poliermittel in Zahnpasten.
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Primärpartikel pyrogener Kieselsäure haben einen Durchmesser zwischen 5 und 100 nm, während die Agglomeratgröße bis zu 40 µm beträgt und die durchschnittliche Porengröße größer als 30 nm ist. Wie pyrogene Kieselsäure ist auch Fällungskieselsäure im Wesentlichen nicht mikroporös.
Pyrogene Kieselsäure wird durch Fällung aus einer Lösung hergestellt, die Silikatsalze enthält. Nach der Reaktion einer neutralen Silikatlösung mit einer Mineralsäure werden Schwefelsäure- und Natriumsilikatlösungen gleichzeitig unter Durchmischung, beispielsweise mittels Ultraschall, zu Wasser gegeben. Siliziumdioxid fällt unter sauren Bedingungen aus. Neben Faktoren wie der Fällungsdauer, der Zugabegeschwindigkeit der Reaktanten, der Temperatur und Konzentration sowie dem pH-Wert können auch die Art und Intensität der Durchmischung die Eigenschaften des Siliziumdioxids verändern. Die sonomechanische Durchmischung in einer Ultraschallreaktorkammer ist eine wirksame Methode, um eine konstante und einheitliche Partikelgröße zu erzielen. Die Durchmischung mittels Ultraschall bei erhöhten Temperaturen vermeidet die Bildung einer Gelphase.
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CAS-Nummer von Fällungskieselsäure: 7631-86-9

Kolloidales Siliziumdioxid / Siliziumdioxidkolloid

Kolloidales Siliziumdioxid ist eine Suspension feiner, nichtporöser, amorpher und überwiegend kugelförmiger Siliziumdioxidpartikel in einer flüssigen Phase.
Siliziumdioxidkolloide werden am häufigsten als Entwässerungshilfsmittel bei der Papierherstellung, als Schleifmittel zum Polieren von Siliziumwafern, als Katalysator in chemischen Prozessen, als Feuchtigkeitsabsorber, als Zusatz zu abriebfesten Beschichtungen oder als Tensid zum Flocken, Koagulieren, Dispergieren oder Stabilisieren eingesetzt.
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Die Herstellung von kolloidalem Siliziumdioxid ist ein mehrstufiger Prozess. Die teilweise Neutralisation einer Alkalisilikatlösung führt zur Bildung von Siliziumdioxidkeimen. Die Untereinheiten kolloidaler Siliziumdioxidpartikel liegen typischerweise im Bereich zwischen 1 und 5 nm. Je nach Polymerisationsbedingungen können diese Untereinheiten miteinander verbunden werden. Durch eine Absenkung des pH-Werts unter 7 oder die Zugabe von Salz neigen die Einheiten dazu, zu Ketten zu verschmelzen, die häufig als Kieselgele bezeichnet werden. Andernfalls bleiben die Untereinheiten getrennt und wachsen allmählich. Die entstehenden Produkte werden häufig als Kieselsole oder Fällungskieselsäure bezeichnet. Eine kolloidale Siliziumdioxidsuspension wird durch die Einstellung des pH-Werts stabilisiert und anschließend konzentriert, beispielsweise durch Verdampfung.
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Gesundheitsrisiken von Siliziumdioxid

Trockenes oder luftgetragenes kristallines Siliziumdioxid ist beim Menschen lungenkrebserregend und kann schwere Lungenerkrankungen, Lungenkrebs oder systemische Autoimmunerkrankungen verursachen. Wenn Siliziumdioxidstaub eingeatmet wird und in die Lunge gelangt, führt er zur Bildung von Narbengewebe und verringert die Fähigkeit der Lunge, Sauerstoff aufzunehmen (Silikose). Die Benetzung und Dispergierung von SiO2 in einer flüssigen Phase, beispielsweise durch Ultraschallhomogenisierung, beseitigt das Risiko des Einatmens. Daher ist das Risiko, dass ein flüssiges Produkt, das SiO2 enthält, eine Silikose verursacht, sehr gering. Verwenden Sie beim Umgang mit Siliziumdioxid in trockener Pulverform geeignete persönliche Schutzausrüstung!

Literatur

• 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.