Διασπορά πυριτίας (SiO2) με υπερήχους

Η πυριτία, γνωστή επίσης ως SiO2, νανοπυριτία ή μικροπυριτία, χρησιμοποιείται σε οδοντόκρεμες, τσιμέντο, συνθετικό καουτσούκ, πολυμερή υψηλών επιδόσεων ή τρόφιμα ως πηκτικό, προσροφητικό, αντισυσσωματικό ή φορέας αρωμάτων και γεύσεων. Παρακάτω θα μάθετε περισσότερα για τις χρήσεις της νανοπυριτίας και της μικροπυριτίας και για το πώς οι ηχομηχανικές επιδράσεις των υπερήχων μπορούν να βελτιώσουν την αποδοτικότητα της διεργασίας και τις επιδόσεις του τελικού προϊόντος, δημιουργώντας καλύτερα εναιωρήματα πυριτίας και διευκολύνοντας τη σύνθεση νανοσωματιδίων πυριτίας.

Πλεονεκτήματα της διασποράς νανοπυριτίας (SiO2) με υπερήχους

Η πυριτία διατίθεται σε ευρύ φάσμα υδρόφιλων και υδρόφοβων μορφών και έχει εξαιρετικά μικρό μέγεθος σωματιδίων, από λίγα μικρόμετρα έως μερικά νανόμετρα. Συνήθως η πυριτία δεν διασπείρεται καλά μετά τη διαβροχή. Προσθέτει επίσης πολλές μικροφυσαλίδες στη σύνθεση του προϊόντος. Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια αποτελεσματική τεχνολογία διεργασιών για τη διασπορά μικροπυριτίας και νανοπυριτίας και την απομάκρυνση διαλυμένου αερίου και μικροφυσαλίδων από τη σύνθεση.

Η διασπορά με υπερήχους είναι μια τεχνική που χρησιμοποιεί υπερηχητικά κύματα υψηλής έντασης και χαμηλής συχνότητας για τη διασπορά σωματιδίων και τη διάσπαση των συσσωματωμάτων τους σε υγρό μέσο. Όσον αφορά τη διασπορά πυριτίας και νανοπυριτίας, η διασπορά με υπερήχους προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα:
 

Η σημασία του μεγέθους των σωματιδίων πυριτίας

Για πολλές εφαρμογές πυριτίας νανομετρικού ή μικρομετρικού μεγέθους, η καλή και ομοιόμορφη διασπορά είναι πολύ σημαντική. Συχνά απαιτείται ένα μονοδιασπαρμένο εναιώρημα πυριτίας, π.χ. για τη μέτρηση του μεγέθους των σωματιδίων. Ειδικότερα, για χρήση σε μελάνια ή επιστρώσεις και πολυμερή με σκοπό τη βελτίωση της αντοχής στις γρατσουνιές, τα σωματίδια πυριτίας πρέπει να είναι αρκετά μικρά ώστε να μην αλληλεπιδρούν με το ορατό φως, για να αποφεύγεται η θόλωση και να διατηρείται η διαφάνεια. Για τις περισσότερες επιστρώσεις, τα σωματίδια πυριτίας πρέπει να είναι μικρότερα από 40nm ώστε να πληρούται αυτή η απαίτηση. Σε άλλες εφαρμογές, η συσσωμάτωση των σωματιδίων πυριτίας εμποδίζει κάθε μεμονωμένο σωματίδιο πυριτίας να αλληλεπιδρά με τα περιβάλλοντα μέσα.
Οι ομογενοποιητές υπερήχων είναι αποτελεσματικότεροι στη διασπορά πυριτίας από άλλες μεθόδους ανάμειξης υψηλής διάτμησης, όπως οι περιστροφικοί αναμείκτες ή οι αναδευτήρες δεξαμενών. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ένα τυπικό αποτέλεσμα διασποράς πυρογενούς πυριτίας σε νερό με υπερήχους.

Διασπορά πυρογενούς πυριτίας σε νερό με υπερήχους

Αποδοτικότητα της διεργασίας μείωσης του μεγέθους των σωματιδίων πυριτίας

Η διασπορά νανοπυριτίας με υπερήχους υπερέχει έναντι άλλων μεθόδων ανάμειξης υψηλής διάτμησης, όπως η χρήση ενός IKA Ultra-Turrax. Οι υπέρηχοι παράγουν εναιωρήματα με μικρότερο μέγεθος σωματιδίων πυριτίας και η κατεργασία με υπερήχους είναι η ενεργειακά αποδοτικότερη τεχνολογία. Οι Pohl και Schubert συνέκριναν τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων Aerosil 90 (2%wt) σε νερό με χρήση ενός Ultra-Turrax (σύστημα ρότορα-στάτορα) με εκείνη που επιτυγχάνεται με ένα Hielscher UIP1000hd (συσκευή υπερήχων 1kW). Το παρακάτω γράφημα δείχνει τα ανώτερα αποτελέσματα της διεργασίας υπερήχων. Βάσει της μελέτης του, ο Pohl κατέληξε στο συμπέρασμα ότι «Σε σταθερή ειδική ενέργεια EV, οι υπέρηχοι είναι αποτελεσματικότεροι από το σύστημα ρότορα-στάτορα». Η ενεργειακή αποδοτικότητα και η ομοιομορφία του μεγέθους των σωματιδίων πυριτίας είναι υψίστης σημασίας στις παραγωγικές διεργασίες, όπου το κόστος παραγωγής, η δυναμικότητα της διεργασίας και η ποιότητα του προϊόντος έχουν σημασία.

Υπέρηχοι έναντι Ultra-turrax για τη διασπορά πυριτίας

Οι παρακάτω εικόνες δείχνουν τα αποτελέσματα που έλαβε ο Pohl με κατεργασία με υπερήχους κόκκων πυριτίας που είχαν υποστεί λυοφιλίωση με ψεκασμό.

Αριστερά: Εικόνες REM κόκκων πυριτίας που έχουν υποστεί ψύξη με ψεκασμό πριν από την αποσυσσωμάτωση με υπερήχους
Δεξιά: Εικόνες TEM θραυσμάτων πυριτίας που έχουν διασπαρεί με υπερήχους
Μελέτη και εικόνες: Pohl και Schubert, 2004)

Διασπορείς υπερήχων υψηλών επιδόσεων για σκευάσματα πυριτίας υψηλής ποιότητας

Η Hielscher Ultrasonics είναι μια γερμανική οικογενειακή επιχείρηση που ειδικεύεται στην ανάπτυξη, την κατασκευή και την προμήθεια ομογενοποιητών υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την επεξεργασία υγρών, εναιωρημάτων με στερεά και παστών. Οι ομογενοποιητές υπερήχων της Hielscher επεξεργάζονται αξιόπιστα πολφούς πυριτίας και άλλα νανοεναιωρήματα, ώστε να επιτυγχάνονται οποιεσδήποτε επιθυμητές προδιαγραφές. Ακόμη και συνθέσεις προϊόντων που είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες, αποξεστικές ή υψηλού ιξώδους μπορούν να υποβληθούν αποτελεσματικά σε διασπορά και αποσυσσωμάτωση με κατεργασία με υπερήχους. Οι προηγμένες συσκευές υπερήχων μας είναι εξαιρετικά ευέλικτες και προσφέρουν εξελιγμένες δυνατότητες επεξεργασίας κατά παρτίδες και εντός γραμμής. Τα σταθερά υψηλά πρότυπα ποιότητας και τα αναπαραγώγιμα αποτελέσματα αποτελούν βασικά χαρακτηριστικά της διασποράς πυριτίας με υπερήχους.
Οι υπερσύγχρονες συσκευές υπερήχων της Hielscher για βιομηχανική χρήση διαθέτουν έξυπνο και φιλικό προς τον χρήστη μενού, προγραμματιζόμενες ρυθμίσεις, αυτόματη καταγραφή δεδομένων σε ενσωματωμένη κάρτα SD, τηλεχειρισμό μέσω προγράμματος περιήγησης και υψηλή ανθεκτικότητα.
Το πλάτος είναι η παράμετρος με τη μεγαλύτερη επίδραση στην επεξεργασία με υπερήχους. Το πλάτος αναφέρεται στη μέγιστη μετατόπιση ή στη μετακίνηση από κορυφή σε κορυφή ενός υπερηχητικού κύματος. Για τη διασπορά, την αποσυσσωμάτωση και την υγρή άλεση με υπερήχους απαιτούνται συχνά υψηλά πλάτη, ώστε να εφαρμόζεται επαρκής ενέργεια για τη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher μπορούν να παρέχουν εξαιρετικά υψηλά πλάτη. Η συνεχής λειτουργία 24/7 με πλάτη έως και 200µm μπορεί να επιτευχθεί εύκολα. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη διατίθενται εξατομικευμένα ηχοτρόδια υπερήχων.
Από μικρές και μεσαίες συσκευές υπερήχων για έρευνα και ανάπτυξη και για πιλοτικές εφαρμογές έως βιομηχανικά συστήματα για την εμπορική παραγωγή πυριτίας σε συνεχή λειτουργία, η Hielscher Ultrasonics διαθέτει τον κατάλληλο επεξεργαστή υπερήχων για να καλύψει τις απαιτήσεις σας για επεξεργασία πυριτίας ανώτερης ποιότητας.

Σχεδιασμός, κατασκευή και συμβουλευτική – Ποιότητα από τη Γερμανία

Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι γνωστές για τα υψηλότερα πρότυπα ποιότητας και σχεδιασμού τους. Η ανθεκτικότητα και ο εύκολος χειρισμός επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των συσκευών υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher ανταποκρίνονται εύκολα σε αντίξοες συνθήκες και απαιτητικά περιβάλλοντα.

Η Hielscher Ultrasonics είναι εταιρεία πιστοποιημένη κατά ISO και δίνει ιδιαίτερη έμφαση στις συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων που διαθέτουν τεχνολογία αιχμής και είναι φιλικές προς τον χρήστη. Φυσικά, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher συμμορφώνονται με τις απαιτήσεις CE και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:

Τι είναι η πυριτία (SiO2, διοξείδιο του πυριτίου);

Η πυριτία είναι μια χημική ένωση που αποτελείται από πυρίτιο και οξυγόνο, με χημικό τύπο SiO2, δηλαδή διοξείδιο του πυριτίου. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές μορφές πυριτίας, όπως ο τηγμένος χαλαζίας, η πυρογενής πυριτία, η πηκτή πυριτίας και οι αεροπηκτές. Η πυριτία απαντά ως συστατικό διαφόρων ορυκτών και ως συνθετικό προϊόν. Στη φύση, η πυριτία απαντά συχνότερα ως χαλαζίας και σε διάφορους ζωντανούς οργανισμούς. Το διοξείδιο του πυριτίου λαμβάνεται με εξόρυξη και καθαρισμό χαλαζία. Οι τρεις κύριες μορφές άμορφης πυριτίας είναι η πυρογενής πυριτία, η καταβυθισμένη πυριτία και η πηκτή πυριτίας.

Πυρογενής πυριτία / Πυρογενής πυριτία

Η καύση τετραχλωριούχου πυριτίου (SiCl4) σε φλόγα υδρογόνου πλούσια σε οξυγόνο παράγει καπνό SiO2 – πυρογενή πυριτία. Εναλλακτικά, η εξάτμιση χαλαζιακής άμμου σε ηλεκτρικό τόξο 3000 °C παράγει επίσης πυρογενή πυριτία. Και στις δύο διεργασίες, τα προκύπτοντα μικροσκοπικά σταγονίδια άμορφης πυριτίας συντήκονται σχηματίζοντας διακλαδισμένα, αλυσιδωτά, τρισδιάστατα δευτερογενή σωματίδια. Στη συνέχεια, αυτά τα δευτερογενή σωματίδια συσσωματώνονται σε λευκή σκόνη με εξαιρετικά χαμηλή φαινόμενη πυκνότητα και πολύ μεγάλη επιφάνεια. Το μέγεθος των πρωτογενών σωματιδίων της μη πορώδους πυρογενούς πυριτίας κυμαίνεται μεταξύ 5 και 50 nm. Η πυρογενής πυριτία έχει πολύ ισχυρή παχυντική δράση. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται ως πληρωτικό σε ελαστομερή σιλικόνης και για τη ρύθμιση του ιξώδους σε χρώματα, επιστρώσεις, κόλλες, μελάνια εκτύπωσης ή ακόρεστες πολυεστερικές ρητίνες. Η πυρογενής πυριτία μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία ώστε να καταστεί υδρόφοβη ή υδρόφιλη, για εφαρμογές είτε σε οργανικά υγρά είτε σε υδατικά συστήματα. Η υδρόφοβη πυριτία αποτελεί αποτελεσματικό συστατικό αντιαφριστικών (αντιαφριστικό μέσο).
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε σχετικά με την απαέρωση και την αποαφροποίηση με υπερήχους.
Πυρογενής πυριτία, αριθμός CAS 112945-52-5

Πυριτική παιπάλη / Μικροπυριτία

Η πυριτική παιπάλη είναι μια υπέρλεπτη σκόνη νανομετρικού μεγέθους, γνωστή και ως μικροπυριτία. Η πυριτική παιπάλη δεν πρέπει να συγχέεται με την πυρογενή πυριτία. Η διεργασία παραγωγής, η μορφολογία των σωματιδίων και τα πεδία εφαρμογής της πυριτικής παιπάλης διαφέρουν όλα από τα αντίστοιχα της πυρογενούς πυριτίας. Η πυριτική παιπάλη είναι μια άμορφη, μη κρυσταλλική, πολυμορφική μορφή του SiO2. Αποτελείται από σφαιρικά σωματίδια με μέση διάμετρο σωματιδίων 150 nm. Η κυριότερη εφαρμογή της πυριτικής παιπάλης είναι ως ποζολανικό υλικό για σκυρόδεμα υψηλών επιδόσεων. Προστίθεται σε σκυρόδεμα με τσιμέντο Portland για τη βελτίωση ιδιοτήτων του σκυροδέματος, όπως η αντοχή σε θλίψη, η αντοχή συνάφειας και η αντοχή στην απότριψη. Επιπλέον, η πυριτική παιπάλη μειώνει τη διαπερατότητα του σκυροδέματος στα ιόντα χλωρίου. Αυτό προστατεύει τον χάλυβα οπλισμού του σκυροδέματος από τη διάβρωση.
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με την ανάμειξη τσιμέντου και πυριτικής παιπάλης με υπερήχους, κάντε κλικ εδώ!
Πυριτική παιπάλη, αριθμός CAS: 69012-64-2, Πυριτική παιπάλη, αριθμός EINECS: 273-761-1

Καταβυθισμένη πυριτία

Η καταβυθισμένη πυριτία είναι μια συνθετική άμορφη μορφή του SiO2 σε μορφή λευκής σκόνης. Η καταβυθισμένη πυριτία χρησιμοποιείται ως πληρωτικό, μαλακτικό ή βελτιωτικό επιδόσεων σε πλαστικά ή καουτσούκ, π.χ. σε ελαστικά οχημάτων. Άλλες χρήσεις περιλαμβάνουν τη χρήση της ως καθαριστικού, παχυντικού ή στιλβωτικού μέσου σε οδοντόκρεμες.
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με την ανάμειξη με υπερήχους στην παραγωγή οδοντόκρεμας, κάντε κλικ εδώ!
Τα πρωτογενή σωματίδια της πυρογενούς πυριτίας έχουν διάμετρο μεταξύ 5 και 100 nm, ενώ το μέγεθος των συσσωματωμάτων φτάνει έως και 40 µm, με μέσο μέγεθος πόρων μεγαλύτερο από 30 nm. Όπως η πυρογενής πυριτία, έτσι και η καταβυθισμένη πυριτία ουσιαστικά δεν είναι μικροπορώδης.
Η πυρογενής πυριτία παράγεται με καταβύθιση από διάλυμα που περιέχει πυριτικά άλατα. Μετά την αντίδραση ενός ουδέτερου διαλύματος πυριτικών αλάτων με ένα ανόργανο οξύ, διαλύματα θειικού οξέος και πυριτικού νατρίου προστίθενται ταυτόχρονα σε νερό υπό ανάδευση, όπως ανάδευση με υπερήχους. Η πυριτία καταβυθίζεται σε όξινες συνθήκες. Εκτός από παράγοντες όπως η διάρκεια της καταβύθισης, ο ρυθμός προσθήκης των αντιδρώντων, η θερμοκρασία και η συγκέντρωση, καθώς και το pH, η μέθοδος και η ένταση της ανάδευσης μπορούν να μεταβάλουν τις ιδιότητες της πυριτίας. Η ηχομηχανική ανάδευση σε θάλαμο αντιδραστήρα υπερήχων είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για την παραγωγή σωματιδίων με σταθερό και ομοιόμορφο μέγεθος. Η ανάδευση με υπερήχους σε αυξημένες θερμοκρασίες αποτρέπει τον σχηματισμό σταδίου γέλης.
Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την υποβοηθούμενη με υπερήχους καταβύθιση νανοϋλικών, όπως η καταβυθισμένη πυριτία, κάντε κλικ εδώ!
Καταβυθισμένη πυριτία, αριθμός CAS: 7631-86-9

Κολλοειδής πυριτία / Κολλοειδές πυριτίας

Η κολλοειδής πυριτία είναι ένα εναιώρημα λεπτών, μη πορωδών, άμορφων, κυρίως σφαιρικών σωματιδίων πυριτίας σε υγρή φάση.
Οι συνηθέστερες χρήσεις των κολλοειδών πυριτίας είναι ως βοηθητικό αποστράγγισης στη χαρτοποιία, λειαντικό για τη στίλβωση δισκίων πυριτίου, καταλύτης σε χημικές διεργασίες, απορροφητικό υγρασίας, πρόσθετο σε επιστρώσεις ανθεκτικές στην απότριψη ή επιφανειοδραστικό για κροκίδωση, πήξη, διασπορά ή σταθεροποίηση.
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με το κολλοειδές διοξείδιο του πυριτίου σε πολυμερικές επιστρώσεις ανθεκτικές στην τριβή, κάντε κλικ εδώ!

Η παραγωγή κολλοειδούς διοξειδίου του πυριτίου είναι μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων. Η μερική εξουδετέρωση ενός διαλύματος πυριτικού άλατος αλκαλίου οδηγεί στον σχηματισμό πυρήνων διοξειδίου του πυριτίου. Οι υπομονάδες των σωματιδίων κολλοειδούς διοξειδίου του πυριτίου έχουν συνήθως μέγεθος μεταξύ 1 και 5 nm. Ανάλογα με τις συνθήκες πολυμερισμού, αυτές οι υπομονάδες μπορούν να συνενωθούν. Με τη μείωση του pH κάτω από 7 ή με την προσθήκη άλατος, οι υπομονάδες τείνουν να συντήκονται σχηματίζοντας αλυσίδες, οι οποίες συχνά ονομάζονται πηκτές διοξειδίου του πυριτίου. Διαφορετικά, οι υπομονάδες παραμένουν διαχωρισμένες και αναπτύσσονται σταδιακά. Τα προκύπτοντα προϊόντα συχνά ονομάζονται κολλοειδή διαλύματα διοξειδίου του πυριτίου ή καταβυθισμένο διοξείδιο του πυριτίου. Ένα εναιώρημα κολλοειδούς διοξειδίου του πυριτίου σταθεροποιείται με ρύθμιση του pH και στη συνέχεια συμπυκνώνεται, π.χ. με εξάτμιση.
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις ηχομηχανικές επιδράσεις στις διεργασίες sol-gel, κάντε κλικ εδώ!

Κίνδυνος του διοξειδίου του πυριτίου για την υγεία

Το ξηρό ή αιωρούμενο στον αέρα κρυσταλλικό διοξείδιο της σιλικόνης είναι καρκινογόνο για τους ανθρώπινους πνεύμονες και μπορεί να προκαλέσει σοβαρή πνευμονοπάθεια, καρκίνο του πνεύμονα ή συστηματικά αυτοάνοσα νοσήματα. Όταν η σκόνη διοξειδίου του πυριτίου εισπνέεται και εισέρχεται στους πνεύμονες, προκαλεί τον σχηματισμό ουλώδους ιστού και μειώνει την ικανότητα των πνευμόνων να προσλαμβάνουν οξυγόνο (πυριτίαση). Η διαβροχή και η διασπορά του SiO2 σε υγρή φάση, π.χ. με ομογενοποίηση με υπερήχους, εξαλείφουν τον κίνδυνο εισπνοής. Επομένως, ο κίνδυνος να προκαλέσει πυριτίαση ένα υγρό προϊόν που περιέχει SiO2 είναι πολύ χαμηλός. Χρησιμοποιείτε κατάλληλα μέσα ατομικής προστασίας όταν χειρίζεστε διοξείδιο του πυριτίου σε μορφή ξηρής σκόνης!

Βιβλιογραφία

• 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.