Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall-Dispergierung von Silica (SiO2)

Silica wird aufgrund seiner Abriebsfestigkeit, elektrischen Isolierung und seiner hohen thermischen Stabilität in vielen verschiedenen Industriebranchen eingesetzt. Durch das Dispergieren mittels Ultraschall wird die Qualität der Dispersion gesteigert, wodurch sich das Potenzial der Silica besser ausschöpfen lässt.

Silica-Anwendungen

Bei Silica (SiO2) handelt es sich um ein multi-funktionales Keramikmaterial, welches in verschiedenen Industrien dazu verwendet wird, die Oberflächeneigenschaften und die mechanischen Eigenschaften diverser Materialien zu verbessern. Dabei wird es vielen Produktformulationen – beispielweise Farben, Lacken und Beschichtungen, Kunststoffen, Kunstfasern, Adhesivklebemitteln, Abdichtungsmitteln oder Isolationsmaterialien – als Füllstoff, Additivstoff, Rheologie-Modifikator oder Verarbeitungshilfsmittel zugesetzt. Vor allem Beton werden Silicastaub (Silicafume/ amorphes Silikondioxid) oder Mikrosilica zugesetzt, um die Betonstärke und Haltbarkeit zu verbessern. Silicafume wird auch bei der Herstellung von Feuerbeton verwendet, um die Porosität zu reduzieren und um die Stärke durch eine verbesserte Partikelpackung zu erhöhen.

Silica-Dispersionen

Es gibt eine große Auswahl hydrophiler und hydrophober Silicaformen und diese werden meist in extrem feinen Partikelgrößen genutzt. Normalerweise lässt sich Silica nach dem Durchfeuchten nicht gut dispergieren. Außerdem werden der Produktformulation dadurch zahlreiche Mikroblasen zugefügt.

Für die meisten Anwendungen von Silica ist eine gute und gleichmäßige Dispersion wichtig. Besonders wenn es dazu verwendet wird, in Beschichtungen und Lacken die Kratzfestigkeit zu erhöhen, müssen die Silica-Partikel klein genug sein, um nicht mit dem sichtbaren Licht zu interferieren und um so Trübungen zu vermeiden und die Transparenz zu erhalten. Daher wird für die meisten Beschichtungen Silica benötigt, das kleiner als 40nm ist, da es nur dann diese Anforderungen erfüllen kann. Bei anderen Anwendungen wird es durch die Partikelagglomeration erschwert, dass jeder einzelne Silicapartikel mit dem Umgebungsmedium reagiert.

Im Vergleich mit anderen Hochschermischtechniken zeigt sich das Beschallen mit Ultraschall als die effektivere Methode für das Dispergieren von Silica. Die unten stehende Grafik zeigt ein typisches Ergebnis, das beim Dispergieren von Silicastaub (Silicafume) in Wasser mit Ultraschall erreicht wird. Die Messungen wurden mit einem Malvern Mastersizer 2000 durchgeführt.

Partikelgrößenverteilung von Silica in wässriger Lösung vor und nach dem Beschallen

Die Partikelgrößenreduktion begann (grüne Kurve) bei einer agglomerierten Partikelgröße von mehr als 200 µm (D50), die meisten Partikel werden auf weniger als 200 Nanometer reduziert. The deutliche Auslaufen of the Kurve for rechts resultiert from the materialzusammensetzung (Agglomerate and größere Primaries). In the Agglomerate quickly and simply reduced, dauert the Zerkleinern of larger Primary-Partikel länger.

Prozesswirksamkeit bei der Silica-Größenreduktion

Die Prozesseffizienz von Ultraschall beim Dispergieren von Siliziumdioxid wurde von der Pohl und Schubert with other Hochschermischmethoden, so z. B. with a IKA Ultra-Turrax verglichen. Pohl untersuchte die Partikelgrößenreduktion von Aerosil 90 (2%Wt) in Wasser mittels Rotor-Stator- und Ultraschall-System. I'mplights a Ultra-Turrax (Rotor-Stator-System) by various Settings with we'rement. UIP1000hd (Ultraschallgerät) im Durchflussmodus. Die untenstehende Grafik zeigt die Ergebnisse.

Vergleich eines Ultra Turrax und eines Ultraschallsystems mit Dispergieren von Silica in Wasser

Als Ergebnis seiner Studie resümiert Pohl, dass „Bei einer konstanten Anzahl von
Energie EV Ultraschall-Effektivität als Rotor-Stator-System ist.“
und „The angewendete Ultraschallfrequenz in the Größenordnung von 20 kHz bis zu 30 kHz keinen größeren Effekt auf den Dispersionsprozess hat.“

The pictures below showing the resultate, the Pohl as Beschallen of Silica-Sprühgefriergranulat erhielt. (Klicken Sie auf eine größere Ansicht, um die Bilder zu sehen!)

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Literatur

  • Markus Pohl, Helmar Schubert (2004): Dispersion und Deagglomeration von Nanopartikeln in wässrigen Lösungen 2004 Partec